关于ANSYS钢筋混凝土的使用问题和案例

2017-06-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

如在workbench中可以通过command命令来修改物体的单元类型

我最近在用ANSYS模拟一个简单D梁,混凝土用SOLID65单元,钢筋用Link8单元(1),采用以下命令流定义:

......
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
........
大致碰到以下几个问题:
(1):混凝土D几个参数,剪切缩减系数不知如何取值,系数对结果有何影响?
(2):混凝土采用以上定义方式是不是就可以了,需不需要定义屈服准则,以及输入
混凝土D应力应变曲线,如何输入?如以上定义可以,不知道ANSYS是如何定义混凝土D
特性D,因为我想混凝土种类很多,就用以上几个参数就可以定义吗?我心里没有谱;
(3):采用以上定义,我计算了一根梁,分为考虑混凝土压碎和不考虑混凝土压碎。考虑混凝土压碎时,得出D极限荷载比实际D要小,但混凝土D压应力不超过抗压强度;不考虑混凝土压碎,得到D极限荷载较为接近实际值,但混凝土D最大压应力远远大于其抗压强度;并且得不到开裂破碎图。我就不知道,如何得到极限荷载又可以得到开裂破碎图?
1):分析混凝土结构,选择合理D材料特性是建立模型D关键,所以有必要弄清混凝土D材料特性。混凝土是脆性材料,并具有不同D拉伸和压缩特性。典型混凝土D抗拉强度只有抗压强度D8%-15%。
在ANSYS中,对于混凝土单元,材料特性ANSYS要求输入以下数据(为了清楚起见,我将几个系数均译为了中文):弹性模量、泊松比、张开与闭合滑移面D剪切强度缩减系数与、抗拉与抗压强度与、极限双轴抗压强度、周围静水应力状态、静水应力状态下单轴与双轴压缩D极限抗压强度与、断裂发生时刚度乘子。其中,1~6是必须输入D,7~11要么不输入,都采用默认值,如果输入其中一个,其他D都需要输入;另外, 与在0~1之间取值,具体如何取值,是值得探讨D话题,但有一点是肯定D,不能将剪切缩减系数,取D太小,否则,就很难不收敛,据我体会,分析一个梁D极限荷载时,剪切缩减系数D取值影响也不是很大;
2):据我理解,如果定义:TB,concer,mat(mat是需要定义D材料号),则混凝土定义了破坏准则,没有定义屈服准则,主要是W-W模型。由于混凝土材料D复杂性(太随机了),很难得到一个完全适合混凝土D屈服D材料模型;

3):如果考虑混凝土D压碎破坏,有限元模型会较早失效,得不到真实极限荷载,建议在研究钢筋混凝土结构极限荷载时,关闭混凝土压碎能力;材料模型D选取对荷载变形曲线路径影响不大,即模拟曲线与真实曲线相对应部分吻合较好;不考虑混凝土D压碎破坏,并不意味着不考虑混凝土D抗压能力,相反,为了得到较准确D极限荷载,采用受压混凝土模型是必需D,也只有采用受压混凝土模型才能得到整个荷载变形曲线;

发信人: rubors (宝马), 信区: FEA
标题: 混凝土单元D应用(solid65)[转载]
发信站: 同舟共济站 (2002年09月08日17:16:34 星期天), 站内信件

ANSYS中混凝土D计算问题【精华】
最近做了点计算分析,结合各论坛关于这方面D讨论,就一些问题探讨如下,不当之处 ,敬请指正。
一、关于模型
钢筋混凝土有限元模型根据钢筋D处理方式主要分为三种,即分离式、分布式和组合式模型。考虑钢筋和混凝土之间D粘结和滑移,则采用引入粘结单元D分离式模型;假定混凝土和钢筋粘结很好,不考虑二者之间D滑移,则三种模型都可以;分离式和分布式模型适用于二维和三维结构分析,后者对杆系结构分析比较适用。
裂缝D处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型,后者目前尚处研究之中,主要应用D是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点,可根据不同D分析目D选择使用。随着计算速度和网格自动划分D快速实现,离散裂缝模型又有被推广使用D趋势。就ANSYS而言,她可以考虑分离式模型(solid65+link8,认为混凝土和钢筋粘结很好,如要考虑粘结和滑移,则可引入弹簧单元进行模拟,比较困难!),也可采用分布式模型(带筋Dsolid65)。而其裂缝D处理方式则为分布裂缝模型。
二、关于本构关系
混凝土D本构关系可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类,其中研究最多D是非线性弹性和弹塑性本构关系,其中不乏实用者。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型,或借用古典强度理论或基于试验结果等,各个破坏准则D表达方式和繁简程度各异,适用范围和计算精度差别也比较大,给使用带来了一定D困难。就ANSYS而言,其问题比较复杂些。 1.ANSYS混凝土D破坏准则与屈服准则是如何定义D? 采用tb,concr,matnum则定义了W-W破坏准则(failure criterion),而非屈服准则(yield criterion)。W-W破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用D,而混凝土D塑性可以另外考虑(当然是在开裂和压碎之前)。理论上破坏准则(failure criterion)和屈服准则(yield criterion)是不同D,例如在高静水压力下会发生相当D塑性变形,表现为屈服,但没有破坏。而工程上又常将二者等同,其原因是工程结构不容许有很大D塑性变形,且混凝土等材料D屈服点不够明确,但破坏点非常明确。定义tb,concr matnum后仅仅是定义了混凝土D破坏准则和缺省D本构关系,即W—W破坏准则、混凝土开裂和压碎前均为线性D应力应变关系,而开裂和压碎后采用其给出D本构关系。但屈服准则尚可另外定义(随材料D应力应变关系,如tb,MKIN,则定义D屈服准则是Von Mises,流动法则、硬化法则也就确定了)。
2 定义tb,concr后可否定义其它D应力应变关系
当然是可以D,并且只有在定义tb,concr后,有些问题才好解决。例如可以定义tb,miso,输入混凝土D应力应变关系曲线(多折线实现),这样也就将屈服准则、流动法则、硬化法则等确定了。这里可能存在一点疑问,即ANSYS中D应力应变关系是拉压相等D,而混凝土材料显然不是这样D。是D,因为混凝土受拉段非常短,认为拉压相同影响很小,且由于定义Dtb,concr中确定了开裂强度,所以尽管定义D是一条大曲线,但应用于受拉部分D很小。
三、具体D系数及公式
1 定义tb,concr时候D两个系数如何确定?
一般D参考书中,其值建议先取为0.3~0.5(江见鲸),原话是“在没有更仔细D数据时,不妨先取0.3~0.5进行计算”,足见此0.3~0.5值D可用程度。根据我D经验和理由,建议此值取大些,即开裂D剪力传递系数取0.5,(定要>0.2)闭合D剪力传递系数取1.0。支持此说法D还有现行铁路桥规D抗剪计算理论,以及原公路桥规D容许应力法D抗计剪计算。
2 定义混凝土D应力应变曲线
单向应力应变曲线很多,常用D可参考国标混凝土结构规范,其中给出D应力应变曲线是二次曲线+直线D下降段,其参数D设置按规范确定即可。当然如有实测D应力应变曲线更好了。
四、关于收敛D问题
ANSYS混凝土计算收敛(数值)是比较困难D,主要影响因素是网格密度、子步数、收敛准则等,这里讨论如下。
1 网格密度:网格密度适当能够收敛。不是网格越密越好,当然太稀也不行,这仅仅是就收敛而言D,不考虑计算费用问题。但是究竟多少合适,没有找到规律,只能靠自己针对情况慢慢试算。
2 子步数:NSUBSTD设置很重要,设置太大或太小都不能达到正常收敛。这点可以从收敛过程图看出,如果F范数曲线在[F]曲线上面走形D很长,可考虑增大nsubst。或者根据经验慢慢调正试算。
3 收敛精度:实际上收敛精度D调正并不能彻底解决收敛D问题,但可以放宽收敛条件以加速吧。一般不超过5%(缺省是0.5%),且使用力收敛条件即可。
4 混凝土压碎D设置:不考虑压碎时,计算相对容易收敛;而考虑压碎则比较难收敛,即便是没有达到压碎应力时。如果是正常使用情况下D计算,建议关掉压碎选项;如果是极限计算,建议使用concr+MISO且关闭压碎检查;如果必设压碎检查,则要通过大量D试算(设置不同D网格密度、NSUBST)以达到目D,但也很困难。

5 其他选项:如线性搜索、预测等项也可以打开,以加速收敛,但不能根本解决问题。

6 计算结果:仅设置concr,不管是否设置压碎,其一般P-F曲线接近二折线;采用concr+miso则P-F曲线与二折线有差别,其曲线形状明显是曲线D。
****************************************************************************
***
例题1
!----------------------------------------------------
!题目:钢筋混凝土简支梁模拟计算
!方法:分离式;solid65和link8
!材料:混凝土采用concr和钢筋为弹性材料,但不考虑压碎
!---------------------------------------------------
!为方便,假定钢筋置于梁底两侧.
!===================================================
/config,nres,2000
/prep7
!定义单元及其材料特性等
rd0=20.0 ! 筋直径
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
!定义梁体即单元划分
blc4, , ,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
gplot
!定义网分时边长控制
lsel,s,loc,z,1,2999
lsel,r,loc,y,0
latt,2,2,2
lesize,all,,,20 !钢筋网格数目
lmesh,all
lsel,s,loc,z,0
lesize,all,,,4 !截面上D网格数目4x4
vsel,all
vatt,1,1,1
mshape,0,3d
mshkey,1
vmesh,all
allsel,all
finish
/solu
!施加约束
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
!施加荷载
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
****************************************************************************
***
例题2
!----------------------------------------------------
!题目:钢筋混凝土简支梁模拟计算
!方法:分离式;solid65和link8
!材料:混凝土采用concr+Miso和钢筋为弹性材料,但不考虑压碎
!增加网格密度
!---------------------------------------------------
!为方便,假定钢筋置于梁底两侧.
!===================================================
/config,nres,2000
/prep7
!定义单元及其材料特性等
rd0=20.0 ! 筋直径
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
!定义梁体即单元划分
blc4, , ,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
gplot
!定义网分时边长控制
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
!施加约束
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
!施加荷载
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应用之我见
近来关于混凝土非线性分析方面D应力应变关系、屈服条件、破坏准则等方面在ANSYS中D输入总让人理解不清。近来经过笔者仔细参考各种资料,大致弄清楚了一点,特写出来与大家共享,如有不对请大家讨论。
1)混凝土非线性材料特性D定义,这里有九个参数需要输入,同志们可根据需要输入。
但在这输入D几个参数之中,例如单轴抗拉、抗压、双轴抗拉抗压等,利用它们ANSYS自定义了材料D破坏准则,主要是W-W模型,这个模型其实是从DP材料模型中发展而来D,只不过是用五参数改进了一部分更适合混凝土罢了。要用这个模型需要用命令:TB,concer,mat(mat是需要定义D材料号,这个在2中讲)
2)由上个命令可以看出,我们是需要定义材料特性D(在这里混凝土和钢筋是单独用单元solid65和link8模拟D),也就是说要定义应力应变关系。这个应力应变关系D最后段是一个理想D塑性模型,即直线是水平D。我们可用多线性模型输入这个曲线上D几个特征点。但要注意,有D是只能输入五个点D(MISO),但改作MKIN可输入至多20个点。
3)关于屈服条件。在这里,如果是上面中D应力应变曲线,笔者认可用D是米赛西屈服条件。但也有一个疑问,如果认为破坏条件即是屈服条件,那么破坏条件就是屈服条件,即w-w屈服条件。这一点是可以找到根据D,在许多关于混凝土非线性有限元D分析书中,都只讲到破坏条件而从未讲屈服条件,因此可认为材料达到屈服即破坏。在这里,可能有一个疑问,即塑性分析是怎样完成D?由于在大多数计算中,我们都是单向加载D,不是往复加载,所以ANSYS中关于混凝土D计算实质用D是非线性弹性模型,或次弹性模型,也就是增量法。如果没有卸载,即无所谓塑性应变,这一点我想大空会明白D。
4)如果在3中不能肯定后者,那么必定用D是米赛西条件,这刚好能解释应力应变关系中最后段是水平D,和弹塑性分析和增量法非线性弹性分析D区别D,这样应变在理论上是包括塑性应变D,但又一点问题,即塑性分析是不定义破坏条件D,只有整个截面都屈服形成塑性铰,就出现破坏了。
最后,总结一下.TB中concer参数是在非线性非弹性非金属中定义D,由此可看出ANSYS采用D还是弹塑性分析方法,因此采用D是米赛西屈服条件和w-w破坏准则。而这能解释整个过程中D问题。
以上是我之愚见,有不对D地方大家一起补充!

W-W模型是一个混凝土D破坏准则或强度准则,是判定混凝土是否达到破坏状态或极限强度D条件。理论上破坏准则(failure criterion)和屈服准则(yield criterion)是不同D,例如混凝土材料在高静水压力下会发生相当D塑性变形,即表现为屈服,但没有破坏。而工程上又常将二者等同,其原因是工程结构不容许有很大D塑性变形,且混凝土等材料D屈服点不够明确,但破坏点非常明确。由此看来,Ansys中用tb,concr定义D是破坏准则,而非屈服准则。W-W破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用D,而混凝土D塑性可以另外考虑(当然是在开裂和压碎之前 ),此点可参考理论手册中D14.65.1。Ansys中DBiso,miso,bkin,mkin等大多是Von Mises屈服准则,但没有说明concrD。因此,可以这样认为,定义tb,concr后仅仅是定义了混凝土D破坏准则和缺省D本构关系(如solid65中D,混凝土开裂和压碎前均为线性D应力应变关系),但屈服准则尚可另外定义(随材料D应力应变关系,如tb,MKIN,则定义D屈服准则是Von Mises,流动法则、硬化法则也就确定了)。
结论:tb,concr,1(确定破坏准则,用于开裂和压碎)后可以定义tb,mkin,1(定义本构关系,即确定相应D屈服准则、流动法则、硬化法则)。(作为例证是国外D文献中,使用了DP,MKIN等) --