如何在ANSYS中模拟钢筋混凝土的计算模型

1、如何在ANSYS中模拟钢筋混凝土的计算模型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,即别离式、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,那么采用引入粘结单元的别离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好,不考虑二者之间的滑移,那么三种模型都可以；别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拟适用.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

2、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,她可以考虑别离式模型(solid65+link8,认为混凝土和钢筋粘结很好,如要考虑粘结和滑移,那么可引入弹簧单元进行模拟,比拟困难！),也可采用分布式模型(带筋的solid65)o而其裂缝的处理方式那么为分布裂缝模型.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.混凝土破坏准那么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,各个破坏准那么的表达方式和繁简程度各异,适用范围和计算精度差

3、异也比拟大,给使用带来了一定的困难.就ANSYS而言,其问题比拟复杂些.1ANSYS混凝土的破坏准那么与屈服准那么是如何定义的？采用tb,concr,matnum那么定义了W-W破坏准那么(failurecriterion),而非屈服准那么(yieldcriterion)oW-W破坏准那么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).理论上破坏准那么(failurecriterion)和屈服准那么(yieldcriterion)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

4、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,concrmatnum后仅仅是定义了混凝土的破坏准那么和缺省的本构关系,即WW破坏准那么、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.但屈服准那么尚可另外定义随材料的应力应变关系,如tb,MKIN,那么定义的屈服准那么是VonMises,流动法那么、硬化法那么也就确定了,2定义tb,concr后可否认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,这样也就将屈服准那么、流动法那么、硬化法

5、那么等确定了.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,由于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,但应用于受拉局部的很小.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1.0o支持此说法的还有现行铁路桥规的抗

6、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标准,其中给出的应力应变曲线是二次曲线十直线的下降段,其参数的设置按标准确定即可.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拟困难的,主要影响因素是网格密度、子步数、收敛准那么等,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.但是究竟多少适宜,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到达正常收敛

7、.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nsubsto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；而考虑压碎那么比拟难收敛,即便是没有到达压碎应力时.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,那么要通过大量的试算设置不同的网格密度、NSUBST以到达目的,但也很困难.5其他选项：如线性搜索、预测等项也可以翻开

8、,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那么P-F曲线与二折线有差异,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：别离式；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!钢筋直径et,1,solid65et,2,link8mp,ex,1,33e3mp,prxy,1,0.20r,1hntra=28hntrl=2.6tb,

9、concr,1tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1mp,ex,2,2.1e5mp,prxy,2,0.30r,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,1gplot!定义网分时边长限制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,allvatt,1,1,1mshape,0,3dmshkey,1vmesh,alla

10、llsel,allfinish/solu!施加约束lsel,s,loc,z,0lsel,r,loc,y,0dl,all,uydl,all,uzlsel,alllsel,s,loc,z,3000lsel,r,loc,y,0dl,all,uylsel,allksel,s,loc,x,0ksel,r,loc,y,0dk,all,uxallsel,all!施加荷载qmz=0.3asel,s,loc,y,200sfa,all,1,pres,qmzallsel,allnsubst,40outres,all,alltime,qmz*10neqit,40solvefinish/post1pldisp,1eta

11、ble,zxyl,ls,1plls,zxyl,zxyl,1finish/post26nsol,2,33,u,yprod,3,1,1/100prod,4,2,-1xvar,4plvar,3*例题2!题目：钢筋混凝土简支梁模拟计算!方法：别离式；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!钢筋直径et,1,solid65et,2,link8mp,ex,1,33e3mp,prxy,1,0.20r,1hntra=28h

12、ntrl=2.6tb,concr,1tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1tb,miso,1,14tbpt,0.0002,hntra*0.19tbpt,0.0004,hntra*0.36tbpt,0.0006,hntra*0.51tbpt,0.0008,hntra*0.64tbpt,0.0010,hntra*0.75tbpt,0.0012,hntra*0.84tbpt,0.0014,hntra*0.91tbpt,0.0016,hntra*0.96tbpt,0.0018,hntra*0.99tbpt,0.0020,hntra*1.00tbpt,0.0025,hntra*0.95tbpt,

13、0.0030,hntra*0.90tbpt,0.0035,hntra*0.85tbpt,0.0040,hntra*0.80mp,ex,2,2.1e5mp,prxy,2,0.30r,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,1gplot!定义网分时边长限制lsel,s,loc,z,1,2999lsel,r,loc,y,0latt,2,2,2lesize,all,20lmesh,alllsel,s,loc,z,0lesize,all,4vsel,allvatt,1,1,1mshape,0,3dmshkey,1vmesh,allallsel,allfinish/solu!施加约束lsel,s,loc,z,0lsel,r,loc,y,0dl,all,uydl,all,uzlsel,alllsel,s,loc,z,3000lsel,r,loc,y,0dl,all,uylsel,allksel,s,loc,x,0ksel,r,loc,y,0dk,all,uxallsel,all!施加荷载qmz=0.3asel,s,loc,y,200sfa,all