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来源：Nikko结构空间
在一些复杂工程中，受各种因素制约，我们在结构布置上难以避免多根杆件交汇于一处，形成复杂的结构节点。又如在大跨、重载结构中，我们特别关注节点是否能可靠传递荷载。此时就需对节点进行受力分析或力学性能试验，这些分析和试验都涉及到复杂节点有限元分析。
小编认为节点有限元分析除了验证节点满足承载力要求外，更重要的是，找出节点的薄弱部位和应力集中处，以指导关键节点的构造设计或试验设计。
本文结合小编参与过一些工程的节点有限元分析经验，总结出一套关于复杂钢结构节点的建模与有限元分析的实操流程（实际大部分内容同样适用于混凝土或组合结构节点）。主要内容包括：节点杆件尺寸的选取、实体几何模型的建立、导入通用有限元软件与分析等。
整个操作流程和涉及软件大致如下：
▲操作流程
建立节点几何模型的第一步，就是需要确定相交于节点的各个杆件长度取值。若该值过小，各种边界条件（力或约束）会对节点区应力分布产生显著的影响。若取值过大，又会导致单元数量过多，增加计算成本。那么，如何合理截取杆件长度呢？
由圣维南原理可知，作用于弹性体表面上的力仅引起局部应力不均。当超过一定距离后，弹性体横截面的应力分布趋于均匀，而这个距离为弹性体的横截面最大尺寸。
由此可初步确定杆件截取长度 >= 截面最大边长。又因为采用实体有限元模型，节点域处会出现各杆件截面相互重叠情况。所以截取杆件长度还应超出节点域一定范围。
综上所述，结合小编经验，建议杆件截取长度取截面长边尺寸的2~4倍。当杆件重叠区域较大时可截取长一些。反之，截取短一些。如需进行力学性能试验，考虑试验装置对杆端约束实际情况，截取长度可取至反弯点处。
在确定杆件截取长度后，就可从整体分析模型中提取节点线模（即杆件轴线模型）以及杆端节点力。这里介绍使用SAP2000做整体分析的情况，具体操作步骤如下：
● 根据截取长度，将节点各杆件打断，即在对应长度处生成一个新节点，然后进行整体结构计算；
● 对节点的各杆件按规范进行设计，选出主要构件的控制工况，又或者是对大部分杆件的最不利工况；
● 导出节点线模为dxf文件，用于导入CAD中进行三维实体放样；
● 导出最不利工况下各杆件打断处的节点力（力和力矩），用于有限元分析中的荷载定义。建议导出整体坐标的节点力，而不是杆件的截面内力。
以某工程的钢桁架节点为例，下图给出对应的分析模型和杆端节点力输出。
当然，以上也可在midas中完成，并完成有限元分析。但是，如果想进行更精细化的建模，如控制节点域主杆件连续、次杆件断开、设置加劲板等，还是需要用到专业的三维建模软件。
实体节点模型的创建可以使用AutoCAD或者Rhino。小编认为AutoCAD足以应付各种复杂实体节点模型的创建，推荐各位使用。
导入由SAP2000输出的线模dxf文件后，主要通过以下几步来建模。
● 各杆件轴线即为导出分析模型的线模（下图中的红色直线）。
● 创建的工作平面，亦即为杆件截面所在的平面（下图中浅绿色虚线构成的平面）。
● 涉及AutoCAD的命令：3DROTATE、UCS。
● 构件截面绘制尽可能使用多段线命令（PLINE），以确保截面线段是封闭。
● 将构件截面转换成为面域（REGION），为后续实体构件拉伸作准备。
● 部分需要掏空或非常规截面可使用“并集”（UNION）、“差集”（SUBTRACT）和“交集”（INTERSECT）来实现。
● 以杆件轴线作为拉伸路径，用EXTRUDE命令对各个截面（面域属性）进行拉伸，创建出实体部件。
● 应结合节点受力状况和设计思路，明确各个构件在节点域内是连续还是中断后，才依次进行拉伸。
● 实体部件在节点域内重叠部分，可以使用SLICE、UNION、SUBTRACT、INTERSECT等命令进行分割。
● 各种加劲板建模方式与杆件类似，在确定其与节点域相对位置后，使用对面域拉伸的方式创建。
● 建议按一个杆件对应一个实体来建模和导出，以便后续有限元分析的连接定义和网格划分。
4、将各杆件、加劲板等实体分别输出为多个sat格式文件
sat文件是储存ACIS（一个图形系统开发平台）实体模型几何信息的文本格式文件，它是由ACIS核心开发出来的一种通用格式，可用于不同系统之间的三维数据交换，以便进行网格划分和数值计算。
实际上，AutoCAD还可以输出iges或igs格式文件，它是基于初始化图形交换规范的一种通用格式文件。但经小编试验发现，采用这种格式导入为ABAQUS的部件后，在网格划分中适应性较差，特别是当几何形状较为复杂时，ABAQUS网格划分就很容易生成质量较差的单元。因此，建议还是输出sat格式文件导入。
这部分介绍采用ABAQUS进行有限元分析的一些关键步骤和参数设置。ABAQUS需要在以下模块中定义各种参数：
Part → Property → Assembly → Step → Interaction → Load → Mesh → Job
在创建有限元分析模型前，必须先确定单位制系统，小编习惯采用mm、N、kg这个单位制系统。
各个分析部件已经在AutoCAD中完成并输出sat文件了，在该模块中只需通过import part导入各个sat文件即可，如下图所示。
导入过程中的部件参数设置可按下图所示定义。小编建议将各构件分别导入为多个部件part，以便后续能更容易获得良好的网格划分结果。
钢材本构采用双线性强化模型即可。在Material对话框中分别定义密度、弹模和塑性应力应变关系，如下图所示。
该模块主要用于生成分析模型和定义部件相对关系，以便后续接触定义、网格划分等。由于部件是采用AutoCAD输出的sat格式文件，各个部件的相对位置信息（与CAD实体模型的整体坐标值是一致的）是可以传递到ABAQUS中的。因此，只需在该模块中将所有部件创建为Instance即可，如下图所示。
需要注意的是，在创建Instance对话框中，建议类型选“Independent”和不要勾选“Auto-offset”，如下图所示。
当然，在Assembly模块中还可以利用Partition Cell的各种工具，进行初步人工剖分，将一个部件分解为多个相对规则物件的组合，以便生成高质量的分析单元体。此外，还可以在该模块中定义一些辅助工作平面，方便后续约束定义、荷载施加、网格划分等。
该模块主要是定义分析类型、分析方法、计算参数设置、计算结果输出控制等。对于钢结构节点来说，一般需要验算其极限承载能力，采用ABAQUS提供的静力计算方法（隐式迭代计算）即可，如下图所示。
这里需要注意的是，初始分析步的步长尽可能小一些，增量步选用自动模式（程序会根据上一步迭代次数调整步长大小）。
5、Interaction模块
该模块主要是定义各个构件之间的相互作用、约束、接触等。对于钢结构节点来说，各构件主要采用焊接方式连接，因此分析模型可通过定义Tie约束来模拟。下图所示高亮区域分别为：H型钢与桁架弦杆焊接、斜腹杆与桁架弦杆焊接，此外还有内加劲板与桁架弦杆焊接。
为对应输入SAP2000模型的杆端节点荷载，在该模块中还需要建立参考点（下图中的RP1~RP4），将各个杆件截面上分析节点的六个自由度与参考点约束在一起。当荷载施加在参考点上时，就等同荷载作用于杆件截面上。
该模块主要用于荷载施加和支座定义。将SAP2000整体模型输出的各个杆端节点力和力矩（前文excel表）按整体坐标输入。需要注意的是，当采用节点力形式时，可直接按SAP2000输出的数值输入ABAQUS。当采用截面内力形式时，则需要对输出数值反号后，再输入到ABAQUS中。
此范例是将H型钢梁端截面定义为支座，且将其截面的六个自由度均约束住，如下图所示。
该模块主要用于网格划分和单元定义。尽管ABAQUS提供了强大的网格自适应划分技术，但是对于一些复杂钢结构节点，尤其是存在弧形边的情况，如何mesh出高质量网格，往往成为有限元分析的关键。
实际上，很多情况是由于建模方式不合理，导致程序对局部区域无法进行网格划分。此时，就要求使用者根据节点模型复杂程度进行人工剖分（Partition），形成相对规则的实体部件组合。
前面在介绍三维建模过程中，建议对各个杆件分别建模与导入的原因也在于此。若对节点进行整体建模或者融合成一个几何体块，ABAQUS对于连续复杂边界或形体的识别是有困难的，进而影响了网格划分。
一般来说，首选结构化网格划分技术（Structured）进行划分，以此得到高质量分析单元。若模型存在曲线或弧形边界，则可以考虑使用扫掠网格划分技术（Sweep）。当上述两种划分技术都无法获得较好网格时，建议对建模方式、剖分方式进行调整，以获得合适计算的网格结果。
如下图所示，ABAQUS自动识别出部件的绿色区域，就可采用结构化网格划分技术进行划分，这是最理想的状况。
划分单元大小主要根据整个节点尺度大小、计算单元数量等来确定。考虑到一般分析研究的钢结构节点杆件尺寸在2~5m这个范围内，建议单元大小控制在20~40mm。此外，对钢结构板件来说，沿板件厚度至少还需划分2~3个单元，可通过手动或者指定边长种子数量来划分。
对于实体节点来说，建议采用C3D8R单元，即8节点六面体线性减缩积分单元。这类单元对网格划分适应性较好，计算成本较低，且能满足工程计算精度要求。
在完成定义网格划分技术控制、网格尺寸、单元类型后，就可以让ABAQUS进行自动网格划分了。该节点的划分完成效果如下图所示。
在完成上述步骤后，即可在Job模块里面提交计算，在Visualization模块中查看与输出分析结果。这里提醒一点：可通过检查支座处三个平动方向的反力与外荷载是否平衡，从而判断模型是否正确。
前文提及的桁架节点是来自某多层展览馆的大跨度环形空间钢桁架结构。本工程在结构设计上，利用沿环向分布的三个交通筒体，布置了三个主受力钢框架结构（共15根Q420C箱型钢柱）。在三层（下弦层）至屋面（上弦层）的楼层空间内，沿内外墙立面设置两榀环形的空间桁架（跨度约为70m，桁架结构高度为7m）。上下弦杆之间设置斜向及竖向腹杆。整个环形空间钢桁架结构由15根钢柱支承。
该工程选取了桁架几个关键部位节点进行有限元分析，具体分析结果如下。
PS：在写通用有限元部分时，其实小编是十分犹豫的。毕竟一套正版的ABAQUS价格昂贵（教育版也不便宜），其使用率并不高。但考虑到其优异的网格划分算法和稳定可靠的计算内核，最后还是割舍不了。因此，小编在写这部分时特别注意，把通用有限元软件在节点分析中一些共同的要点尽量描述清楚，而不是仅针对ABAQUS。希望这样能对各位在使用其他通用有限元软件时也有所帮助。
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