如何在ANSYS中模擬鋼筋混凝土的計(jì)算模型.doc

如何在ANSYS中模擬鋼筋混凝土的計(jì)算模型最近做了點(diǎn)計(jì)算分析，結(jié)合各論壇關(guān)于這方面的討論，就一些問題探討如下，不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正。 一、關(guān)于模型 鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式主要分為三種，即分離式、分布式和組合式模型?？紤]鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移，則采用引入粘結(jié)單元的分離式模型；假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，不考慮二者之間的滑移，則三種模型都可以；分離式和分布式模型適用于二維和三維結(jié)構(gòu)分析，后者對(duì)桿系結(jié)構(gòu)分析比較適用。裂縫的處理方式有離散裂縫模型、分布裂縫模型和斷裂力學(xué)模型，后者目前尚處研究之中，主要應(yīng)用的是前兩種。離散裂縫模型和分布裂縫模型各有特點(diǎn)，可根據(jù)不同的分析目的選擇使用。隨著計(jì)算速度和網(wǎng)格自動(dòng)劃分的快速實(shí)現(xiàn)，離散裂縫模型又有被推廣使用的趨勢(shì)。 就ANSYS而言，她可以考慮分離式模型(solid65+link8，認(rèn)為混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，如要考慮粘結(jié)和滑移，則可引入彈簧單元進(jìn)行模擬，比較困難！)，也可采用分布式模型(帶筋的solid65)。而其裂縫的處理方式則為分布裂縫模型。 二、關(guān)于本構(gòu)關(guān)系 混凝土的本構(gòu)關(guān)系可以分為線彈性、非線性彈性、彈塑性及其它力學(xué)理論等四類，其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其中不乏實(shí)用者?；炷疗茐臏?zhǔn)則從單參數(shù)到五參數(shù)模型達(dá)數(shù)十個(gè)模型，或借用古典強(qiáng)度理論或基于試驗(yàn)結(jié)果等，各個(gè)破壞準(zhǔn)則的表達(dá)方式和繁簡(jiǎn)程度各異，適用范圍和計(jì)算精度差別也比較大，給使用帶來了一定的困難。 就ANSYS而言，其問題比較復(fù)雜些。 1 ANSYS混凝土的破壞準(zhǔn)則與屈服準(zhǔn)則是如何定義的？ 采用tb,concr,matnum則定義了W-W破壞準(zhǔn)則(failure criterion)，而非屈服準(zhǔn)則(yield criterion)。W-W破壞準(zhǔn)則是用于檢查混凝土開裂和壓碎用的，而混凝土的塑性可以另外考慮（當(dāng)然是在開裂和壓碎之前）。理論上破壞準(zhǔn)則(failure criterion)和屈服準(zhǔn)則(yield criterion)是不同的，例如在高靜水壓力下會(huì)發(fā)生相當(dāng)?shù)乃苄宰冃危憩F(xiàn)為屈服，但沒有破壞。而工程上又常將二者等同，其原因是工程結(jié)構(gòu)不容許有很大的塑性變形，且混凝土等材料的屈服點(diǎn)不夠明確，但破壞點(diǎn)非常明確。 定義tb,concr matnum后僅僅是定義了混凝土的破壞準(zhǔn)則和缺省的本構(gòu)關(guān)系，即WW破壞準(zhǔn)則、混凝土開裂和壓碎前均為線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而開裂和壓碎后采用其給出的本構(gòu)關(guān)系。但屈服準(zhǔn)則尚可另外定義(隨材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如tb,MKIN,則定義的屈服準(zhǔn)則是Von Mises,流動(dòng)法則、硬化法則也就確定了)。 2 定義tb,concr后可否定義其它的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 當(dāng)然是可以的，并且只有在定義tb,concr后，有些問題才好解決。例如可以定義tb,miso,輸入混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(多折線實(shí)現(xiàn))，這樣也就將屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)法則、硬化法則等確定了。 這里可能存在一點(diǎn)疑問，即ANSYS中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是拉壓相等的，而混凝土材料顯然不是這樣的。是的，因?yàn)榛炷潦芾畏浅６?，認(rèn)為拉壓相同影響很小，且由于定義的tb,concr中確定了開裂強(qiáng)度，所以盡管定義的是一條大曲線，但應(yīng)用于受拉部分的很小。 三、具體的系數(shù)及公式 1 定義tb,concr時(shí)候的兩個(gè)系數(shù)如何確定？ 一般的參考書中，其值建議先取為0.30.5(江見鯨)，原話是“在沒有更仔細(xì)的數(shù)據(jù)時(shí)，不妨先取0.30.5進(jìn)行計(jì)算”，足見此0.30.5值的可用程度。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)和理由，建議此值取大些，即開裂的剪力傳遞系數(shù)取0.5,（定要0.2）閉合的剪力傳遞系數(shù)取1.0。支持此說法的還有現(xiàn)行鐵路橋規(guī)的抗剪計(jì)算理論，以及原公路橋規(guī)的容許應(yīng)力法的抗計(jì)剪計(jì)算。 2 定義混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線 單向應(yīng)力應(yīng)變曲線很多，常用的可參考國標(biāo)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范，其中給出的應(yīng)力應(yīng)變曲線是二次曲線直線的下降段，其參數(shù)的設(shè)置按規(guī)范確定即可。當(dāng)然如有實(shí)測(cè)的應(yīng)力應(yīng)變曲線更好了。 四、關(guān)于收斂的問題 ANSYS混凝土計(jì)算收斂(數(shù)值)是比較困難的，主要影響因素是網(wǎng)格密度、子步數(shù)、收斂準(zhǔn)則等，這里討論如下。 1 網(wǎng)格密度：網(wǎng)格密度適當(dāng)能夠收斂。不是網(wǎng)格越密越好，當(dāng)然太稀也不行，這僅僅是就收斂而言的，不考慮計(jì)算費(fèi)用問題。但是究竟多少合適，沒有找到規(guī)律，只能靠自己針對(duì)情況慢慢試算。 2 子步數(shù)：NSUBST的設(shè)置很重要，設(shè)置太大或太小都不能達(dá)到正常收斂。這點(diǎn)可以從收斂過程圖看出，如果F范數(shù)曲線在F曲線上面走形的很長(zhǎng)，可考慮增大nsubst?；蛘吒鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)慢慢調(diào)正試算。 3 收斂精度：實(shí)際上收斂精度的調(diào)正并不能徹底解決收斂的問題，但可以放寬收斂條件以加速吧。一般不超過5%(缺省是0.5%)，且使用力收斂條件即可。 4 混凝土壓碎的設(shè)置：不考慮壓碎時(shí)，計(jì)算相對(duì)容易收斂；而考慮壓碎則比較難收斂，即便是沒有達(dá)到壓碎應(yīng)力時(shí)。如果是正常使用情況下的計(jì)算，建議關(guān)掉壓碎選項(xiàng)；如果是極限計(jì)算，建議使用concrMISO且關(guān)閉壓碎檢查；如果必設(shè)壓碎檢查，則要通過大量的試算（設(shè)置不同的網(wǎng)格密度、NSUBST）以達(dá)到目的，但也很困難。 5 其他選項(xiàng)：如線性搜索、預(yù)測(cè)等項(xiàng)也可以打開，以加速收斂，但不能根本解決問題。 6 計(jì)算結(jié)果：僅設(shè)置concr，不管是否設(shè)置壓碎，其一般P-F曲線接近二折線；采用concr+miso則P-F曲線與二折線有差別，其曲線形狀明顯是曲線的。 *例題1 !- !題目：鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁模擬計(jì)算 !方法：分離式；solid65和link8 !材料：混凝土采用concr和鋼筋為彈性材料，但不考慮壓碎 !- !為方便，假定鋼筋置于梁底兩側(cè). != /config,nres,2000 /prep7 !定義單元及其材料特性等 rd0=20.0 !鋼筋直徑 et,1,solid65 et,2,link8 mp,ex,1,33e3 mp,prxy,1,0.20 r,1 hntra=28 hntrl=2.6 tb,concr,1 tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1 mp,ex,2,2.1e5 mp,prxy,2,0.30 r,2,acos(-1)*0.25*rd0*rd0 !定義梁體即單元?jiǎng)澐?blc4, , ,100,200,3000 /view,1,1,1,1 /ang,1 gplot !定義網(wǎng)分時(shí)邊長(zhǎng)控制 lsel,s,loc,z,1,2999 lsel,r,loc,y,0 latt,2,2,2 lesize,all,20 !鋼筋網(wǎng)格數(shù)目 lmesh,all lsel,s,loc,z,0 lesize,all,4 !截面上的網(wǎng)格數(shù)目4x4 vsel,all vatt,1,1,1 mshape,0,3d mshkey,1 vmesh,all allsel,all finish /solu !施加約束 lsel,s,loc,z,0 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy dl,all,uz lsel,all lsel,s,loc,z,3000 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy lsel,all ksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux allsel,all !施加荷載 qmz=0.3 asel,s,loc,y,200 sfa,all,1,pres,qmz allsel,all nsubst,40 outres,all,all time,qmz*10 neqit,40 solve finish /post1 pldisp,1 etable,zxyl,ls,1 plls,zxyl,zxyl,1 finish /post26 nsol,2,33,u,y prod,3,1,1/100 prod,4,2,-1 xvar,4 plvar,3 *例題2 !- !題目：鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁模擬計(jì)算 !方法：分離式；solid65和link8 !材料：混凝土采用concr+Miso和鋼筋為彈性材料，但不考慮壓碎 !增加網(wǎng)格密度 !- !為方便，假定鋼筋置于梁底兩側(cè). != /config,nres,2000 /prep7 !定義單元及其材料特性等 rd0=20.0 !鋼筋直徑 et,1,solid65 et,2,link8 mp,ex,1,33e3 mp,prxy,1,0.20 r,1 hntra=28 hntrl=2.6 tb,concr,1 tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1 tb,miso,1,14 tbpt,0.0002,hntra*0.19 tbpt,0.0004,hntra*0.36 tbpt,0.0006,hntra*0.51 tbpt,0.0008,hntra*0.64 tbpt,0.0010,hntra*0.75 tbpt,0.0012,hntra*0.84 tbpt,0.0014,hntra*0.91 tbpt,0.0016,hntra*0.96 tbpt,0.0018,hntra*0.99 tbpt,0.0020,hntra*1.00 tbpt,0.0025,hntra*0.95 tbpt,0.0030,hntra*0.90 tbpt,0.0035,hntra*0.85 tbpt,0.0040,hntra*0.80 mp,ex,2,2.1e5 mp,prxy,2,0.30 r,2,acos(-1)*0.25*rd0*rd0 !定義梁體即單元?jiǎng)澐?blc4, , ,100,200,3000 /view,1,1,1,1 /ang,1 gplot !定義網(wǎng)分時(shí)邊長(zhǎng)控制 lsel,s,loc,z,1,2999 lsel,r,loc,y,0 latt,2,2,2 lesize,all,20 lmesh,all lsel,s,loc,z,0 lesize,all,4 vsel,all vatt,1,1,1 mshape,0,3d mshkey,1 vmesh,all allsel,all finish /solu !施加約束 lsel,s,loc,z,0 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy dl,all,uz lsel,all lsel,s,loc,z,3000 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy lsel,all ksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux allsel,all !施加荷載 qmz=0.3