ANSYS中混凝土的计算问题.doc

ANSYS使用简介发信人: rubors (宝马), 信区: FEA 标 题: 混凝土单元的应用（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中混凝土的计算问题 【精华】 最近做了点计算分析，结合各论坛关于这方面的讨论，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的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的粘结和滑移，则采用引入粘结单元的分离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好，不考虑二者之间的滑移，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。裂缝的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，主要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。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(带筋的solid65)。而其裂缝的处理方式则为分布裂缝模型。 二、关于本构关系 混凝土的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，其中研究最多的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，各个破坏准则的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，给使用带来了一定的困难。 就ANSYS而言，其问题比较复杂些。 1.ANSYS混凝土的破坏准则与屈服准则是如何定义的？ 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的，而混凝土的塑性可以另外考虑（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)是不同的，例如在高静水压力下会发生相当的塑性变形，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的塑性变形，且混凝土等材料的屈服点不够明确，但破坏点非常明确。定义tb,concr matnum后仅仅是定义了混凝土的破坏准则和缺省的本构关系，即WW破坏准则、混凝土开裂和压碎前均为线性的应力应变关系，而开裂和压碎后采用其给出的本构关系。但屈服准则尚可另外定义(随材料的应力应变关系，如tb,MKIN,则定义的屈服准则是Von Mises,流动法则、硬化法则也就确定了)。 2 定义tb,concr后可否定义其它的应力应变关系 当然是可以的，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,输入混凝土的应力应变关系曲线(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中的应力应变关系是拉压相等的，而混凝土材料显然不是这样的。是的，因为混凝土受拉段非常短，认为拉压相同影响很小，且由于定义的tb,concr中确定了开裂强度，所以尽管定义的是一条大曲线，但应用于受拉部分的很小。 三、具体的系数及公式 1 定义tb,concr时候的两个系数如何确定？ 一般的参考书中，其值建议先取为0.30.5(江见鲸)，原话是“在没有更仔细的数据时，不妨先取0.30.5进行计算”，足见此0.30.5值的可用程度。根据我的经验和理由，建议此值取大些，即开裂的剪力传递系数取0.5,（定要0.2）闭合的剪力传递系数取1.0。支持此说法的还有现行铁路桥规的抗剪计算理论，以及原公路桥规的容许应力法的抗计剪计算。 2 定义混凝土的应力应变曲线 单向应力应变曲线很多，常用的可参考国标混凝土结构规范，其中给出的应力应变曲线是二次曲线直线的下降段，其参数的设置按规范确定即可。当然如有实测的应力应变曲线更好了。 四、关于收敛的问题 ANSYS混凝土计算收敛(数值)是比较困难的，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的，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：NSUBST的设置很重要，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曲线上面走形的很长，可考虑增大nsubst。或者根据经验慢慢调正试算。 3 收敛精度：实际上收敛精度的调正并不能彻底解决收敛的问题，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 混凝土压碎的设置：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的计算，建议关掉压碎选项；如果是极限计算，建议使用concrMISO且关闭压碎检查；如果必设压碎检查，则要通过大量的试算（设置不同的网格密度、NSUBST）以达到目的，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的。 * * 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 !截面上的网格数目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的应力应变关系、屈服条件、破坏准则等方面在ANSYS中的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的定义，这里有九个参数需要输入，同志们可根据需要输入。 但在这输入的几个参数之中，例如单轴抗拉、抗压、双轴抗拉抗压等，利用它们ANSYS自定义了材料的破坏准则，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的，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是需要定义的材料号，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的（在这里混凝土和钢筋是单独用单元solid65和link8模拟的），也就是说要定义应力应变关系。这个应力应变关系的最后段是一个理想的塑性模型，即直线是水平的。我们可用多线性模型输入这个曲线上的几个特征点。但要注意，有的是只能输入五个点的（MISO），但改作MKIN可输入至多20个点。 3）关于屈服条件。在这里，如果是上面中的应力应变曲线，笔者认可用的是米赛西屈服条件。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的，在许多关于混凝土非线性有限元的分析书中，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的？由于在大多数计算中，我们都是单向加载的，不是往复加载，所以ANSYS中关于混凝土的计算实质用的是非线性弹性模型，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的。 4）如果在3中不能肯定后者，那么必定用的是米赛西条件，这刚好能解释应力应变关系中最后段是水平的，和弹塑性分析和增量法非线性弹性分析的区别的，这样应变在理论上是包括塑性应变的，但又一点问题，即塑性分析是不定义破坏条件的，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的，由此可看出ANSYS采用的还是弹塑性分析方法，因此采用的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的问题。 以上