關于ANSYS鋼筋混凝土的使用問題和案例

2017-06-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

如在workbench中可以通過command命令來修改物體的單元類型

我最近在用ANSYS模擬一個簡單D梁,混凝土用SOLID65單元,鋼筋用Link8單元(1),采用以下命令流定義:

......
et,1,65,,,,,2,,1
et,2,link8
mp,ex,1,2.134e4
mp,nuxy,1,0.2
TB,CONC,1
TBDATA,,0.3,0.5,2.45,24.5
mp,ex,2,1.914e5
mp,nuxy,2,0.3
TB,BISO,2,1,2,
TBTEMP,0
TBDATA,,662,0,,,,
R,1
R,2,2580/3
........
大致碰到以下幾個問題:
(1):混凝土D幾個參數,剪切縮減系數不知如何取值,系數對結果有何影響?
(2):混凝土采用以上定義方式是不是就可以了,需不需要定義屈服準則,以及輸入
混凝土D應力應變曲線,如何輸入?如以上定義可以,不知道ANSYS是如何定義混凝土D
特性D,因為我想混凝土種類很多,就用以上幾個參數就可以定義嗎?我心里沒有譜;
(3):采用以上定義,我計算了一根梁,分為考慮混凝土壓碎和不考慮混凝土壓碎。考慮混凝土壓碎時,得出D極限荷載比實際D要小,但混凝土D壓應力不超過抗壓強度;不考慮混凝土壓碎,得到D極限荷載較為接近實際值,但混凝土D最大壓應力遠遠大于其抗壓強度;并且得不到開裂破碎圖。我就不知道,如何得到極限荷載又可以得到開裂破碎圖?
1):分析混凝土結構,選擇合理D材料特性是建立模型D關鍵,所以有必要弄清混凝土D材料特性?；炷潦谴嘈圆牧?并具有不同D拉伸和壓縮特性。典型混凝土D抗拉強度只有抗壓強度D8%-15%。
在ANSYS中,對于混凝土單元,材料特性ANSYS要求輸入以下數據(為了清楚起見,我將幾個系數均譯為了中文):彈性模量、泊松比、張開與閉合滑移面D剪切強度縮減系數與、抗拉與抗壓強度與、極限雙軸抗壓強度、周圍靜水應力狀態、靜水應力狀態下單軸與雙軸壓縮D極限抗壓強度與、斷裂發生時剛度乘子。其中,1~6是必須輸入D,7~11要么不輸入,都采用默認值,如果輸入其中一個,其他D都需要輸入;另外, 與在0~1之間取值,具體如何取值,是值得探討D話題,但有一點是肯定D,不能將剪切縮減系數,取D太小,否則,就很難不收斂,據我體會,分析一個梁D極限荷載時,剪切縮減系數D取值影響也不是很大;
2):據我理解,如果定義:TB,concer,mat(mat是需要定義D材料號),則混凝土定義了破壞準則,沒有定義屈服準則,主要是W-W模型。由于混凝土材料D復雜性(太隨機了),很難得到一個完全適合混凝土D屈服D材料模型;

3):如果考慮混凝土D壓碎破壞,有限元模型會較早失效,得不到真實極限荷載,建議在研究鋼筋混凝土結構極限荷載時,關閉混凝土壓碎能力;材料模型D選取對荷載變形曲線路徑影響不大,即模擬曲線與真實曲線相對應部分吻合較好;不考慮混凝土D壓碎破壞,并不意味著不考慮混凝土D抗壓能力,相反,為了得到較準確D極限荷載,采用受壓混凝土模型是必需D,也只有采用受壓混凝土模型才能得到整個荷載變形曲線;

發信人: rubors (寶馬), 信區: FEA
標題: 混凝土單元D應用(solid65)[轉載]
發信站: 同舟共濟站 (2002年09月08日17:16:34 星期天), 站內信件

ANSYS中混凝土D計算問題【精華】
最近做了點計算分析,結合各論壇關于這方面D討論,就一些問題探討如下,不當之處 ,敬請指正。
一、關于模型
鋼筋混凝土有限元模型根據鋼筋D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D粘結和滑移,則采用引入粘結單元D分離式模型;假定混凝土和鋼筋粘結很好,不考慮二者之間D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構分析,后者對桿系結構分析比較適用。
裂縫D處理方式有離散裂縫模型、分布裂縫模型和斷裂力學模型,后者目前尚處研究之中,主要應用D是前兩種。離散裂縫模型和分布裂縫模型各有特點,可根據不同D分析目D選擇使用。隨著計算速度和網格自動劃分D快速實現,離散裂縫模型又有被推廣使用D趨勢。就ANSYS而言,她可以考慮分離式模型(solid65+link8,認為混凝土和鋼筋粘結很好,如要考慮粘結和滑移,則可引入彈簧單元進行模擬,比較困難!),也可采用分布式模型(帶筋Dsolid65)。而其裂縫D處理方式則為分布裂縫模型。
二、關于本構關系
混凝土D本構關系可以分為線彈性、非線性彈性、彈塑性及其它力學理論等四類,其中研究最多D是非線性彈性和彈塑性本構關系,其中不乏實用者。混凝土破壞準則從單參數到五參數模型達數十個模型,或借用古典強度理論或基于試驗結果等,各個破壞準則D表達方式和繁簡程度各異,適用范圍和計算精度差別也比較大,給使用帶來了一定D困難。就ANSYS而言,其問題比較復雜些。 1.ANSYS混凝土D破壞準則與屈服準則是如何定義D? 采用tb,concr,matnum則定義了W-W破壞準則(failure criterion),而非屈服準則(yield criterion)。W-W破壞準則是用于檢查混凝土開裂和壓碎用D,而混凝土D塑性可以另外考慮(當然是在開裂和壓碎之前)。理論上破壞準則(failure criterion)和屈服準則(yield criterion)是不同D,例如在高靜水壓力下會發生相當D塑性變形,表現為屈服,但沒有破壞。而工程上又常將二者等同,其原因是工程結構不容許有很大D塑性變形,且混凝土等材料D屈服點不夠明確,但破壞點非常明確。定義tb,concr matnum后僅僅是定義了混凝土D破壞準則和缺省D本構關系,即W—W破壞準則、混凝土開裂和壓碎前均為線性D應力應變關系,而開裂和壓碎后采用其給出D本構關系。但屈服準則尚可另外定義(隨材料D應力應變關系,如tb,MKIN,則定義D屈服準則是Von Mises,流動法則、硬化法則也就確定了)。
2 定義tb,concr后可否定義其它D應力應變關系
當然是可以D,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D應力應變關系曲線(多折線實現),這樣也就將屈服準則、流動法則、硬化法則等確定了。這里可能存在一點疑問,即ANSYS中D應力應變關系是拉壓相等D,而混凝土材料顯然不是這樣D。是D,因為混凝土受拉段非常短,認為拉壓相同影響很小,且由于定義Dtb,concr中確定了開裂強度,所以盡管定義D是一條大曲線,但應用于受拉部分D很小。
三、具體D系數及公式
1 定義tb,concr時候D兩個系數如何確定?
一般D參考書中,其值建議先取為0.3~0.5(江見鯨),原話是“在沒有更仔細D數據時,不妨先取0.3~0.5進行計算”,足見此0.3~0.5值D可用程度。根據我D經驗和理由,建議此值取大些,即開裂D剪力傳遞系數取0.5,(定要>0.2)閉合D剪力傳遞系數取1.0。支持此說法D還有現行鐵路橋規D抗剪計算理論,以及原公路橋規D容許應力法D抗計剪計算。
2 定義混凝土D應力應變曲線
單向應力應變曲線很多,常用D可參考國標混凝土結構規范,其中給出D應力應變曲線是二次曲線+直線D下降段,其參數D設置按規范確定即可。當然如有實測D應力應變曲線更好了。
四、關于收斂D問題
ANSYS混凝土計算收斂(數值)是比較困難D,主要影響因素是網格密度、子步數、收斂準則等,這里討論如下。
1 網格密度:網格密度適當能夠收斂。不是網格越密越好,當然太稀也不行,這僅僅是就收斂而言D,不考慮計算費用問題。但是究竟多少合適,沒有找到規律,只能靠自己針對情況慢慢試算。
2 子步數:NSUBSTD設置很重要,設置太大或太小都不能達到正常收斂。這點可以從收斂過程圖看出,如果F范數曲線在[F]曲線上面走形D很長,可考慮增大nsubst?；蛘吒鶕涷灺{正試算。
3 收斂精度:實際上收斂精度D調正并不能徹底解決收斂D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D設置:不考慮壓碎時,計算相對容易收斂;而考慮壓碎則比較難收斂,即便是沒有達到壓碎應力時。如果是正常使用情況下D計算,建議關掉壓碎選項;如果是極限計算,建議使用concr+MISO且關閉壓碎檢查;如果必設壓碎檢查,則要通過大量D試算(設置不同D網格密度、NSUBST)以達到目D,但也很困難。

5 其他選項:如線性搜索、預測等項也可以打開,以加速收斂,但不能根本解決問題。

6 計算結果:僅設置concr,不管是否設置壓碎,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D。
****************************************************************************
***
例題1
!----------------------------------------------------
!題目:鋼筋混凝土簡支梁模擬計算
!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.
!===================================================
/config,nres,2000
/prep7
!定義單元及其材料特性等
rd0=20.0 ! 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
!定義梁體即單元劃分
blc4, , ,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
gplot
!定義網分時邊長控制
lsel,s,loc,z,1,2999
lsel,r,loc,y,0
latt,2,2,2
lesize,all,,,20 !鋼筋網格數目
lmesh,all
lsel,s,loc,z,0
lesize,all,,,4 !截面上D網格數目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:鋼筋混凝土簡支梁模擬計算
!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
!增加網格密度
!---------------------------------------------------
!為方便,假定鋼筋置于梁底兩側.
!===================================================
/config,nres,2000
/prep7
!定義單元及其材料特性等
rd0=20.0 ! 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
!定義梁體即單元劃分
blc4, , ,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
gplot
!定義網分時邊長控制
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
asel,s,loc,y,200
sfa,all,1,pres,qmz
allsel,all
outres,all,all
time,qmz*10
nsubst,40
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
Solid65應用之我見
近來關于混凝土非線性分析方面D應力應變關系、屈服條件、破壞準則等方面在ANSYS中D輸入總讓人理解不清。近來經過筆者仔細參考各種資料,大致弄清楚了一點,特寫出來與大家共享,如有不對請大家討論。
1)混凝土非線性材料特性D定義,這里有九個參數需要輸入,同志們可根據需要輸入。
但在這輸入D幾個參數之中,例如單軸抗拉、抗壓、雙軸抗拉抗壓等,利用它們ANSYS自定義了材料D破壞準則,主要是W-W模型,這個模型其實是從DP材料模型中發展而來D,只不過是用五參數改進了一部分更適合混凝土罷了。要用這個模型需要用命令:TB,concer,mat(mat是需要定義D材料號,這個在2中講)
2)由上個命令可以看出,我們是需要定義材料特性D(在這里混凝土和鋼筋是單獨用單元solid65和link8模擬D),也就是說要定義應力應變關系。這個應力應變關系D最后段是一個理想D塑性模型,即直線是水平D。我們可用多線性模型輸入這個曲線上D幾個特征點。但要注意,有D是只能輸入五個點D(MISO),但改作MKIN可輸入至多20個點。
3)關于屈服條件。在這里,如果是上面中D應力應變曲線,筆者認可用D是米賽西屈服條件。但也有一個疑問,如果認為破壞條件即是屈服條件,那么破壞條件就是屈服條件,即w-w屈服條件。這一點是可以找到根據D,在許多關于混凝土非線性有限元D分析書中,都只講到破壞條件而從未講屈服條件,因此可認為材料達到屈服即破壞。在這里,可能有一個疑問,即塑性分析是怎樣完成D?由于在大多數計算中,我們都是單向加載D,不是往復加載,所以ANSYS中關于混凝土D計算實質用D是非線性彈性模型,或次彈性模型,也就是增量法。如果沒有卸載,即無所謂塑性應變,這一點我想大空會明白D。
4)如果在3中不能肯定后者,那么必定用D是米賽西條件,這剛好能解釋應力應變關系中最后段是水平D,和彈塑性分析和增量法非線性彈性分析D區別D,這樣應變在理論上是包括塑性應變D,但又一點問題,即塑性分析是不定義破壞條件D,只有整個截面都屈服形成塑性鉸,就出現破壞了。
最后,總結一下.TB中concer參數是在非線性非彈性非金屬中定義D,由此可看出ANSYS采用D還是彈塑性分析方法,因此采用D是米賽西屈服條件和w-w破壞準則。而這能解釋整個過程中D問題。
以上是我之愚見,有不對D地方大家一起補充!

W-W模型是一個混凝土D破壞準則或強度準則,是判定混凝土是否達到破壞狀態或極限強度D條件。理論上破壞準則(failure criterion)和屈服準則(yield criterion)是不同D,例如混凝土材料在高靜水壓力下會發生相當D塑性變形,即表現為屈服,但沒有破壞。而工程上又常將二者等同,其原因是工程結構不容許有很大D塑性變形,且混凝土等材料D屈服點不夠明確,但破壞點非常明確。由此看來,Ansys中用tb,concr定義D是破壞準則,而非屈服準則。W-W破壞準則是用于檢查混凝土開裂和壓碎用D,而混凝土D塑性可以另外考慮(當然是在開裂和壓碎之前 ),此點可參考理論手冊中D14.65.1。Ansys中DBiso,miso,bkin,mkin等大多是Von Mises屈服準則,但沒有說明concrD。因此,可以這樣認為,定義tb,concr后僅僅是定義了混凝土D破壞準則和缺省D本構關系(如solid65中D,混凝土開裂和壓碎前均為線性D應力應變關系),但屈服準則尚可另外定義(隨材料D應力應變關系,如tb,MKIN,則定義D屈服準則是Von Mises,流動法則、硬化法則也就確定了)。
結論:tb,concr,1(確定破壞準則,用于開裂和壓碎)后可以定義tb,mkin,1(定義本構關系,即確定相應D屈服準則、流動法則、硬化法則)。(作為例證是國外D文獻中,使用了DP,MKIN等) --