论坛精华丨ADINA混凝土计算专题——如何实现收敛的参数设定建议

2016-11-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

坛子里面不少朋友在问一些混凝土非线性计算的问题,包括单调加载的计算和滞回分析计算。如果是单调加载计算,对adina而言,确实太“小菜”,你可以把构架压到遍布“伤痕”,甚至有实验条件,还能获得和试验对比很优质的对比结果,这个帖子不想过多纠缠在这个论题上,因为滞回分析远比单调加载复杂,对非线性计算的要求也更高,因此,专门谈谈这个问题——加之进来不少朋友似乎对这个感兴趣。

混凝土模型主要包含两大类,一类是型钢砼组合模型,一类是纯粹的钢筋混凝土模型(普通钢筋混凝土模型或者预应力钢筋混凝土模型),这两类模型我都做过一些简单的测试计算,也做过一些针对工程复杂节点的试验模拟计算。从说明问题的角度来说,越简单的模型其实越有说服力,比如简单的H型砼钢组合梁,钢筋混凝土梁,T型的框架梁柱节点,等等。由于纯粹的钢结构模型,其材料即使在大幅度流塑变形以后(没有撕裂之前),也基本是连续介质材料,因此这一类模型对非线性计算没有什么大的考验,大多数CAE程序都能解决,在此不再赘述。就两类混凝土模型而言,由于混凝土开裂之后变为不连续材料,物理响应的震荡更大一些,非常容易导致计算发散问题,因此这个问题确实很困扰人。但目前就个人的使用体会而言,依据做的过算例,结合adina的计算结果以及收敛性来说,虽有些小小的不尽人意,但总体还不错,参数设置好之后,一般都能越过屈服位移之后继续3-6个滞回圈(视滞回增量不同,每一个滞回过程2-3个循环——可能和一般的循环加载规定有小的差异,主要是为了减少计算消耗),所谓的“小小的不尽人意”主要针对纯粹的钢筋混凝土模型而言(这其实也是所有的非线性程序需要克服的地方)。以型钢混凝土模型来说,从结果来看,后期的滞回耗能主要靠钢结构部分提供耗散能力(和纯钢结构模型的滞回特征有一些相似性),因此其计算收敛性更好,和钢筋混凝土模型相比,这可能是钢结构部分提供了较好的耗散能力所致,虽然混凝土开裂以后,非线性计算容易发散,但在出现由于数值原因或者物理原因导致的应变、应力震荡时,钢结构已经顺利完成“交班”工作,这很大程度上可能也提高了数值收敛性,而且,adina优异的非线性计算能力提供了一系列强制收敛的技术,这在一定程度克服了数值原因导致的发散问题(实际上绝大多数情况下,包含混凝土的模型不收敛主要原因是数值计算方法和参数模型所致,因此,视程序不同,各自的非线性能力对各种问题的适应性差异较大)。纯粹的钢筋混凝土模型,混凝土是提供模型主要刚度的因素,钢筋虽然能够提高模型的延性和总体承载力,但其能力和组合砼模型相比较就差得较远了。就adina程序而言,根据个人的一部分计算经验,其提高非线性收敛能力的影响参数主要包含一下几点(一时之间可能没有概括完),贡献给大家:

1、adina独有的微动力阻尼系数对收敛性影响较大,这种技术将静力过程当做微动力过程来处理,通过设置合理的微动力阻尼系数(0.001-0.2)和对应的时间增量步(1-1000),可以显著加强收敛,但同时不会导致“假”的动力效应,产生错误数值震荡。

2、非协调元虽然精度较高(可以线性积分单元的形式获得高次多节点单元的精度),但代价是收敛性变差,因此推荐采用协调元。

3、提高混凝土单元的积分阶次(2-4次)可以有效提高计算精度和收敛性,但速度有一定降低,3次或者以下速度降低不明显,同时,为了增加钢筋和混凝土单元的协调性,建议钢筋采用2次或者以上的单元(避免局部过“刚”导致的局部应力震荡问题影响收敛)。

4、采用稀疏矩阵算法或者多重网格法均有较高的收敛性和精度,具体选择什么算法,可以视计算规模和试验确定,一般情况下,多重网格法计算速度快一些,特别是模型较大的时候。

5、型钢和混凝土的连接通过刚性连杆约束或者约束方程都可以,一般把型钢或者钢筋节点设置为主节点。这样对精度和收敛性都有好处(有些时候可能还和两者的网格疏密有关,当然你也可以在分网时,让两者网格节点协调连续,但不具备操作性)

6、型钢或者钢筋与混凝土之间可以设置弹簧单元实现滑移模拟,但这个弹簧刚度多少呢,谁也不敢拍着胸口说。而且这种建模方式对复杂模型基本不具备操作性,偶尔做两根简单构件,算着玩,可以试试,当然对搞两篇豆腐块有一定的帮助。所以,快刀斩乱麻,这个东西就别考虑了(个人意见),至少我现阶段不会考虑这个东西。

7、计算收敛容差虽然会导致精度变差,但我确实不知道对于高度非线性问题,0.05和0.001甚至0.1有什么明显的差异,建议这个参数适当放大,帮助收敛,收敛准则有限采用位移准则或者能量准则。

8、对于普通钢筋混凝土模型,不推荐采用rebar+弥散开裂模型的方式进行处理,从几个算例的分析比较来看(也有个别钢筋混凝土模型计算得非常不错),rebar模式得到的滞回包络和混凝土的本构曲线类似,个人以为这是不正常的,至少没有反映出钢筋的贡献,推荐的方式还是钢筋骨架(beam)+弥散开裂模式的做法,这种方式实际上收敛性不如rebar方式,但其结果似乎合理一些。rebar模式出现类似混凝土本构的滞回特征,究其原因,个人以为,可能和程序对rebar的处理方式有关,也许,这种模式就只是把rebar当成了混凝土的增强纤维,也就是混凝土材料的一种“内部成分”,实际不是这样的,钢筋骨架的刚度贡献和强度贡献应该不算小(少筋构件除外),基于这样的思路,也许采用梁单元模式处理钢筋可能更合适,而且梁单元形成的钢筋骨架具有稳定性,就计算收敛而言,应该比桁架单元更有优势。我曾经做过一个简单的钢筋混凝土模型在adina和midas中对比计算,由于midas本身的原因,比较两者弹性阶段的承载力结果非常吻合,包括挠度变形。
9、混凝土本构模型,很多人习惯采用单轴加载的混凝土本构模式,个人推荐采用循环加载模式下的本构模式,这种模式在压碎阶段的极限应变更大一些,对收敛性有一定帮助,具体可以参考相关的专业文献。至于钢筋或者钢材的材料本构,建议用MKIN或者BKIN就够了(混合模型是一个新模型,但在理论手册上没找到相关资料,有资料的朋友不妨贡献出来,谢谢了),虽然很多人指出这两种模型有一些缺陷(似乎较粗),但看了他们改进的模型,似乎精度提高也不大,同样个别时候存在着偏差很大的情况。况且,模型和试验的精度对比不能绝对以试验为依据,做过实验的人都知道,对于复杂模型,试验的加载条件和边界设置悬着呢,谁敢说试验就一定是标准和原则呢..........

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附图是一些简单的计算案例的结果图片(算着玩,不针对任何工程实际,有兴趣做的朋友随便设计参数吧,反正是搞着玩)。单纯针对程序计算能力而言,结果还不错。