（1）单元选取

有限元分析方法的基本思路是：化整为零，积零为整，即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，故单元是有限元分析的基础。单元类型的选择对模拟计算的精度和效率有重大的影响，因此，正确选择合适的单元是十分重要的。下面分别对模型中波形钢板和H型钢等选取最合适的单元类型。

1）波形钢板单元类型。钢板的厚度远小于其他方向的尺寸，且可以忽略垂直钢板厚度方向的应力，因此本章用波形钢板所采用的单元类型是S4R单元，S4R单元为4结点、四边形、有限薄膜应变、线性缩减积分曲面壳单元。S4R单元性能比较稳定，适用范围较广，在描述壳体的横截面性质时需定义壳体的厚度及材料特性，在定义型钢壳体的厚度时可以很方便地定义板件厚度［79］。采用S4R单元应满足以下3条假设：假设之一，单元厚度不变，应变微小，单元的结点可能发生有限的转动；假设之二，考虑横向剪切变形对剪力墙结构的重要性；假设之三，垂直于壳面的横截面始终保持为平面。

2）H型钢柱和加劲肋单元类型。本章模型中的H型钢柱和加劲肋等构件的单元类型采用C3D8R六面体线性缩减积分实体单元，实体单元可以在其任何表面与其他单元连接起来，模型应尽可能采用六面体单元，以达到更好的结果。选择线性缩减积分单元是由于它对位移的求解结构较为精确，当网格存在扭曲变形时，分析精度不会发生太大的变化，且当有弯曲荷载作用时不易发生剪切自锁［73］。

（2）钢材本构模型的设定

选择钢材本构模型既要符合材料的实际性质，使得计算结果能够反映结构的真实应力-应变状态，又要在数学上足够简单，在解决问题的同时节约软件运行的时间。通常，在ABAQUS软件中可以用3种本构模型来模拟钢筋：理想弹塑性模型、弹塑性线性强化模型、三折线模型［80］，如图2.30所示，本章选择弹塑性线性强化模型，如图2.30（b）所示。

图2.30　钢材的应力-应变曲线

用Von Mises屈服准则判断钢筋和型钢是否达到屈服，在线性塑性强化阶段的弹性模量取弹性阶段的0.01倍，钢材屈服强度根据材性试验结果取值，其中Es=2.05×105MPa，泊松比v=0.3，质量密度为7.85×103kg/m3，硬化系数取0.01，λ=0.01。根据塑性力学理论，其本构关系表达如式（2-10）所示，其能反映钢材在反复荷载作用下的主要力学性能，应用广泛。

（3）模型的约束条件及荷载条件

1）约束条件。ABAQUS无法自动识别各部件之间的相互作用，需要在Interaction模块中定义它们之间的关系。在本试验中，各试件均采用了焊接的刚性连接方式，而且在试验过程中没有出现焊接失效的部位，所以有限元分析的约束采用绑定（Tie）约束方式较符合实际，使模型更容易收敛，且对模拟结果影响不大。为了模拟试验伺服机作动器千斤顶和竖向千斤顶的加载条件，在顶梁同样采用绑定约束方式连接水平位移加载刚体和竖向荷载加载刚体。水平位移加载参考点位于试件顶梁一侧，以模拟伺服机作动器的千斤顶加载端；竖向位移加载参考点位于顶梁顶面中心，以模拟竖向千斤顶的加载端，2个参考点的自由度约束条件按试验条件设定。在试验过程中，为防止试件过早失稳破坏，在试件的中部设置侧向支撑。本模型采用在H型钢柱高度中心处两侧分别设置弹簧，通过定义弹簧轴向刚度模拟支撑的作用，具体示意如图2.31所示。

2）荷载条件。在Load模块中定义荷载条件。本模型的加载过程分为2步，首先在剪力墙顶梁中部施加竖向压力，然后保持竖向压力并对剪力墙施加水平推力，所以需要建立2个分析步骤来模拟。其中，水平位移利用Amplitude功能建立加载规律进行幅值控制加载，幅值采用试件伺服机作动器的位移数据。考虑到剪力墙的实际受力形式，并为了防止单一结点的加载引起应力集中，在剪力墙的顶部和端部定义竖向荷载加载刚体和水平位移加载刚体，并为刚体设置相应的参考点，将刚体与相应的参考点进行耦合，然后将竖向荷载和水平位移施加至对应的参考点上。具体加载示意图如图2.32所示。

图2.31　约束条件

图2.32　荷载示意图(www.daowen.com)

3）网格划分。划分网格是进行有限元模拟分析非常重要的一步，在ABAQUS软件中提供了多种网格生成技术以形成不同拓扑的网格模型，它们包括：结构化网格划分（Structured Meshing），扫掠网格划分（Swept Meshing），自由网格划分（FreeMeshing）。根据3种不同技术的特点，型钢采用扫掠网格划分法，其余的采用结构化网格划分法。

网格的划分包括2种算法：进阶算法（Advancing Front）和中性轴算法（Medial Axis）。进阶算法首先在边界上生成四边形单元，然后再向区域内部扩展，使用该算法得到的网格可以与种子的位置吻合得很好，得到的网格大小均匀且容易实现粗网格到细网格的过渡。中性轴算法首先把划分网格的区域分为一些简单的区域，然后再使用结构化网格划分技术来划分这些简单的区域，该算法容易得到形状规则的网格单元，但网格与种子的位置吻合得较差。结合2种算法的特点，本章模型采用进阶算法进行网格划分。有限元模型网格划分情况如图2.33所示。

图2.33　有限元模型网格划分

4）初始几何缺陷。由于波形钢板剪力墙在加工制作过程中不可避免地会受到弯折、焊接等因素的影响，试件不可避免地会存在初始缺陷，故在进行有限元模拟分析时应该考虑初始几何缺陷对波形钢板剪力墙结构性能的影响。在有限元模拟分析中，初始几何缺陷一般是通过屈曲分析得到。选取屈曲分析得到的一阶模态或者多阶模态的叠加作为结构或构件的初始几何形态，然后根据实际试验前测得的各试件的初始面外变形确定用于模拟分析时有限元模型的初始变形大小。模态的选择，要根据屈曲分析的计算结果并结合自身模型的特点进行。典型屈曲模态如图2.34所示。

图2.34　有限元模型典型屈曲模态