ANSYS中混凝土的计算问题本构模型

1、ANSYS中混凝土的计算问题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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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（数彳1）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

7、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concr + MISO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

8、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 conc r+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!子步数最大为 2000/prep7rd0=20.0!钢筋直径et,1,solid65et,2,link8mp,ex,1,33e3mp,prxy

9、,1,0.20r,1hntra=28hntrl=2.6tb,concr,1 !混凝土材料 1tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1mp,ex,2,2.1e5mp,prxy,2,0.30r2acos(-1)*0.25*rd0*rd0!定义梁体即单元划分blc4, , ,100,200,3000/view,1,1,1,1/ang,1gplot!定义网分时边长控制lsel,s,loc,z,1,2999lsel,r,loc,y,0latt,2,2,2lesize,all,20 !钢筋网格数目lmesh,alllsel,s,loc,z,0lesize,all,4!截面上的网格数目4x4vsel,

10、allvatt,1,1,1mshape,0,3dmshkey,1vmesh,allallsel,allfinish/solu!施加约束lsel,s,loc,z,0 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy dl,all,uzlsel,alllsel,s,loc,z,3000 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uylsel,allksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux allsel,all qmz=0.3 asel,s,loc,y,200 sfa,all,1,pres,qmz allsel,all nsubst,40 outres,all

11、,all time,qmz*10 neqit,40 solve finish /postl pldisp,1 etable,zxyl,ls,1 plls,zxyl,zxyl,1 finish /post26 nsol,2,33,u,yprod,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/prep7rd0=20.0!钢筋直径et,1,

12、solid65et,2,link8 mp,ex,1,33e3 mp,prxy,1,0.20r,1hntra=28hntrl=2.6tb,concr,1tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1tb,miso,1,14tbpt,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

13、.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 r2acos(-1)*0.25*rd0*rd0 !定义梁体即单元划分blc4, , ,100,200,3000/view,1,1,1,1/ang,1gplot!定义网分时边长控制lsel,s,loc,z,1,2999lsel,r,loc,y,0latt,2,2,2lesize,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,0lsel,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,0dk,all,ux allsel,all qmz=0.3 as