同济大学结构工程有限元程序ANSYS及应用_08

1、LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）通用有限元程序通用有限元程序ANSYS及及应用应用( (八八) )主主 讲：讲： 钱钱 江江结构工程与防灾研究所结构工程与防灾研究所TelTel：65986113 (B310)65986113 (B310)Email: Email: 二二OOOO七年六月二十五日七年六月二十五日LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECT

2、URE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-2硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）第八讲第八讲 内容提要内容提要11. 11. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析钢筋混凝土剪力墙非线性分析 二维平面单元应用实例二维平面单元应用实例 11.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义 11.2 11.2 非线性求解过程基本参数的设定非线性求解过程基本参数的设定 11.3 11.3 如何解释结果如何解释结果 11.4 11.4 LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTU

3、RE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-311.11. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析钢筋混凝土剪力墙非线性分析 用一系列的线性过程逼近结构刚度的改变过程；用一系列的线性过程逼近结构刚度的改变过程； 当上述线性逼近过程偏离实际过远时，采取某种叠代过程进行当上述线性逼近过程偏离实际过远时，采取某种叠代过程进行 修正，以保证结果在控制的精度内；修正，以保证结果在控制的精度内； 即使如此，也不能保证所有的非线性问题都能顺利求解！即使如此，也不能保证所有的非线性问题都能顺利求解！LECTURE ON INTRODUCTION TO

4、 ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-411.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义弹塑性弹塑性材料属性的定义材料属性的定义钢筋混凝土钢筋混凝土材料材料 Solid65 Solid65 单元属性的定义单元属性的定义LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-511.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义定义定义弹塑性弹塑

5、性材料属性的材料属性的GUIGUI命令操作命令操作执行执行 Main Menu Preprocessor Material Models 弹出材料模弹出材料模型定义对话框型定义对话框 Define Material Model Behavior，先定义先定义线弹性材线弹性材料属性如下图：料属性如下图：线性、弹性、各向同性线性、弹性、各向同性弹性模量、泊松比弹性模量、泊松比LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-611.1 11.1 非线性材料模型

6、的定义非线性材料模型的定义定义定义弹塑性弹塑性材料属性的材料属性的GUIGUI命令操作（续命令操作（续1 1）然后按然后按下图方式下图方式定义定义弹塑性材料属性：弹塑性材料属性：选取非线性选取非线性（Nonlinear）材料模型，非弹性材料模型，非弹性（Inelastic），应变率无关应变率无关（Rate Independent）材料中运动强化弹塑性材料材料中运动强化弹塑性材料（Kinematic Hardening Plasticity），），应力应变关系取双线性模型。应力应变关系取双线性模型。在材料参数输入窗口中，填入屈服应力值在材料参数输入窗口中，填入屈服应力值 235 MPa，塑性切线

7、模量值塑性切线模量值 2.1e10.非线性非线性非弹性非弹性应变率无关应变率无关双双线性线性运动强化运动强化屈服应力屈服应力塑性切线模量塑性切线模量LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-711.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义定义定义弹塑性弹塑性材料属性的命令流（续材料属性的命令流（续2 2）! ! 定义线弹性材料属性定义线弹性材料属性MP,EX,1,2.10E+11MP,EX,1,2.10E+11MP,DENS,1,78

8、00MP,DENS,1,7800MP,PRXY,1,0.3MP,PRXY,1,0.3! ! 定义弹塑性材料属性定义弹塑性材料属性TB,BKIN,1,1,2,1 TB,BKIN,1,1,2,1 ! ! 塑性强化规则塑性强化规则TBTEMP,0TBTEMP,0TBDATA,2.35E8,2.10E10, TBDATA,2.35E8,2.10E10, ! ! 弹塑性参数弹塑性参数LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-811.1 11.1 非线性材料模

9、型的定义非线性材料模型的定义定义混凝土材料属性定义混凝土材料属性GUIGUI命令操作（命令操作（Solid65Solid65单元）单元）先定义先定义线弹性材料属性，线弹性材料属性，然后再然后再定义定义混凝土材料属性：混凝土材料属性：选取非线性选取非线性（Nonlinear）材料模型，材料模型，非弹性非弹性（Inelastic），非金属塑性材非金属塑性材料料（Non-metal Plasticity）,混凝土混凝土材料材料 （Concrete）。）。弹出混凝土弹出混凝土材料属性参数对话框。材料属性参数对话框。非线性非线性非弹性非弹性非金属塑性材料非金属塑性材料混凝土材料混凝土材料LECTURE

10、ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-911.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义定义混凝土材料属性定义混凝土材料属性GUIGUI命令操作（续命令操作（续1 1）混凝土混凝土材料属性参数对话框中各参数的物理意义：材料属性参数对话框中各参数的物理意义：1 1）张开裂缝剪力传递系数；）张开裂缝剪力传递系数；2 2）闭合裂缝剪力传递系数；）闭合裂缝剪力传递系数；3 3）单轴抗拉强度；）单轴抗拉强度；4 4）单轴抗压强度；）单轴抗压强度；5 5）双轴

11、抗压强度；）双轴抗压强度；6 6）与参数）与参数 7 7、8 8联合使用的围压值联合使用的围压值7 7）在参数）在参数 6 6给定围压下的双轴抗压强度；给定围压下的双轴抗压强度；8 8）在参数）在参数 6 6给定围压下的单轴抗压强度；给定围压下的单轴抗压强度；9 9）受拉开裂后的刚度折减因子。）受拉开裂后的刚度折减因子。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1011.1 11.1 非线性材料模型的定义非线性材料模型的定义定义混凝土材料属性的命令

12、流（续定义混凝土材料属性的命令流（续2 2）! ! 定义线弹性材料属性定义线弹性材料属性mp,ex,1,1.54E+10mp,ex,1,1.54E+10mp,dens,1,2500mp,dens,1,2500mp,prxy,1,0.2mp,prxy,1,0.2! ! 定义定义 Solid65 Solid65 混凝土材料属性混凝土材料属性TB,CONCR,1, TB,CONCR,1, ! ! 指定混凝土材料指定混凝土材料TBTEMP,0TBTEMP,0TBDATA, ,0,0,2.43e6,2.5e7, , , TBDATA, ,0,0,2.43e6,2.5e7, , , ! ! 混凝土材料参数

13、混凝土材料参数! ! 定义单元的定义单元的 Real constant Real constant R,1,2,0.1,0,0,2,0.2,R,1,2,0.1,0,0,2,0.2,RMORE,0,90, , , , , RMORE,0,90, , , , , ! ! 指定混凝土单元配筋状况指定混凝土单元配筋状况LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1111.2 11.2 非线性求解过程基本参数的设定非线性求解过程基本参数的设定静力非线性求解过程

14、的基本控制参数静力非线性求解过程的基本控制参数小变形静力问题小变形静力问题输出的计算结果内容输出的计算结果内容输出结果的记存频度输出结果的记存频度本荷载步的时间标识本荷载步的时间标识完成本荷载步的子完成本荷载步的子步数或子步步长步数或子步步长LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1211.2 11.2 非线性求解过程基本参数的设定非线性求解过程基本参数的设定静力非线性求解过程的求解选项（静力非线性求解过程的求解选项（1 1）选择求解器选择求解器

15、留存的重启动文件数留存的重启动文件数重启动文件的记存频度重启动文件的记存频度LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1311.2 11.2 非线性求解过程基本参数的设定非线性求解过程基本参数的设定非线性求解过程的求解选项（非线性求解过程的求解选项（2 2）加速算法选择加速算法选择控制指标取值控制指标取值LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April

16、2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1411.3 11.3 如何解释结果如何解释结果q 与建模过程的基本假设相呼应与建模过程的基本假设相呼应q 关注受力变形过程中状态改变的关键点关注受力变形过程中状态改变的关键点q 注意结果的有效范围注意结果的有效范围LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1511.4 11.4 作业中的几个普遍问题作业中的几个普遍问题问题问题1 1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？：如何恰当地给出实际工程问题的边

17、界约束？问题问题2 2：如何恰当地划分单元网：如何恰当地划分单元网格格 分布形式、最低密度？分布形式、最低密度？问题问题3 3：单元间的协调：单元间的协调 节点对应否？节点对应否？LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1611.4 11.4 作业中的几个普遍问题（续作业中的几个普遍问题（续1 1）问题问题1 1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？（A A）分别在两个轴孔分别在两个轴孔处形成平衡力系，连

18、处形成平衡力系，连杆柄处计算结果可能杆柄处计算结果可能偏离实际；偏离实际；（B B）结果不对称；结果不对称；（C C）与与 （D D）三个小三个小凸台处实际应接近应凸台处实际应接近应力自由，施加约束后力自由，施加约束后会产生虚假的应力分会产生虚假的应力分布。布。（A A）（B B）（C C）（D D）LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1711.4 11.4 作业中的几个普遍问题（续作业中的几个普遍问题（续2 2）问题问题1 1：如何恰当地给

19、出实际工程问题的边界约束？：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？（A A）、（）、（B B）是同一是同一个计算模型分别在分个计算模型分别在分布压力和集中力作用布压力和集中力作用下的应力云图，显然下的应力云图，显然二者受力方向存在差二者受力方向存在差异；异；（C C）垂直方向有不对垂直方向有不对称变形不合实际。称变形不合实际。（A A）（B B）（C C）LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1811.4 11.4 作业中的几个普遍问题（续作业

20、中的几个普遍问题（续3 3）问题问题2 2：如何恰当地划分单元网：如何恰当地划分单元网格格 分布形式、最低密度？分布形式、最低密度？由于沿对角线上网格由于沿对角线上网格的特殊的特殊分布形式，会分布形式，会不恰当地强化这个区不恰当地强化这个区域变形、应力的计算域变形、应力的计算结果！结果！LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-1911.4 11.4 作业中的几个普遍问题（续作业中的几个普遍问题（续4 4）问题问题2 2：如何恰当地划分单元网：如何

21、恰当地划分单元网格格 分布形式、最低密度？分布形式、最低密度？（A A）主次倒置：主次倒置：主要承载部位单元稀疏，而非重要部位主要承载部位单元稀疏，而非重要部位 凸台反而单元划分稠密！凸台反而单元划分稠密！问题问题3 3：单元间的协调：单元间的协调 节点对应否？节点对应否？（B B）、（）、（C C）凸台处网格节点与大环网格节点没有凸台处网格节点与大环网格节点没有完全对应起来，求解时会出问题！完全对应起来，求解时会出问题！( (A)A)( (B)B)( (C)C)LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14

22、 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-2011.11.钢筋混凝土剪力墙非线性分析钢筋混凝土剪力墙非线性分析 构件尺寸及材料特性说明构件尺寸及材料特性说明如下图所示钢筋混凝土双肢剪力墙，材料参数统一取值如下：钢 筋：Es = 2.11011 N/m2，s = 0.30，屈服强度 y = 2.35108 N/m2混凝土：Ec = 3.01010 N/m2，c = 0.20， 抗拉强度 ft = 2.6106 N/m2，轴心抗压强度 fc = 2.5107 N/m2LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO

23、 ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-21 二维平面单元应用实例二维平面单元应用实例 考虑混凝土与钢筋不同材料特性及钢筋分考虑混凝土与钢筋不同材料特性及钢筋分布对构件变形计算结果的影响，布对构件变形计算结果的影响， 考虑材料非线性，采用弹塑性材料模型考虑材料非线性，采用弹塑性材料模型； 假定构件处于平面应力状态；假定构件处于平面应力状态； 底梁及顶梁加厚处通过加大材料模量的方式模拟；底梁及顶梁加厚处通过加大材料模量的方式模拟； 非线性分析叠加原理不成立，墙肢轴压作用效应对结果有影响（模拟高非线性分析叠加原理不成立，墙肢轴压作用效应对结果有影响（模拟高 层结构

24、自重效果）；层结构自重效果）； 可以采用二种计算模型进行比较：可以采用二种计算模型进行比较： 模型模型1 1：均匀化钢筋混凝土模型（等效模量法）；：均匀化钢筋混凝土模型（等效模量法）； 模型模型2 2：离散的钢筋混凝土模型（分离式），可反映配筋位置的影响。：离散的钢筋混凝土模型（分离式），可反映配筋位置的影响。 单元划分：单元划分：LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-22 二维平面单元单元应用实例（续二维平面单元单元应用实例（续1 1） 墙肢

25、墙肢 X X向配筋率：向配筋率：1.0%1.0%；Y Y向配筋率：向配筋率：1.5%1.5%；双向平均取；双向平均取 1.3%1.3%； 连梁连梁 X X向配筋率：向配筋率：2.9%2.9%；Y Y向配筋率：向配筋率：0.7%0.7%；双向平均取；双向平均取 2.0%2.0%； 单元选择：混凝土采用单元选择：混凝土采用 PLANE42 PLANE42 单元模拟单元模拟; ; 顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹 性模量的方法模拟；性模量的方法模拟；LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLE

26、CTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-23 二维平面单元单元应用实例（续二维平面单元单元应用实例（续2 2） 单元选择：混凝土采用单元选择：混凝土采用 PLANE42 PLANE42 单元模拟，钢筋采用单元模拟，钢筋采用 Link1 Link1 单元模拟单元模拟; ; 顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹性顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹性 模量的方法模拟；模量的方法模拟；LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INT

27、RODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-24双肢剪力墙建模过程实例双肢剪力墙建模过程实例 命令流命令流! ! 用命令流生成用命令流生成 ANSYS ANSYS 课教学练习课教学练习-5 -5 计算模型计算模型 ! ! / /prep7prep7 !定义单元类别定义单元类别ET, 1,PLANE42 ET, 1,PLANE42 ! ! 墙肢单元墙肢单元KEYOPT,1,3,3KEYOPT,1,3,3ET, 2,PLANE42 ET, 2,PLANE42 ! ! 连梁单元连梁单元KEYOPT,2,3,3KEYOPT,2,3,3ET, 3,P

28、LANE42 ET, 3,PLANE42 ! ! 刚性区单元刚性区单元KEYOPT,3,3,3KEYOPT,3,3,3! ! 定义材料属性定义材料属性mp,ex,1,0.323E+9mp,ex,1,0.323E+9 ! ! 墙肢混凝土墙肢混凝土 M01M01mp,dens,1,2570mp,dens,1,2570mp,prxy,1,0.2mp,prxy,1,0.2mp,ex,2,0.336E+9mp,ex,2,0.336E+9 ! ! 连梁连梁混凝土混凝土 M02M02mp,dens,2,2610mp,dens,2,2610mp,prxy,2,0.3mp,prxy,2,0.3mp,ex,3,0

29、.30E+12 mp,ex,3,0.30E+12 ! ! 刚性区混凝土刚性区混凝土 M03M03mp,dens,3,2500mp,dens,3,2500mp,prxy,3,0.2mp,prxy,3,0.2LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-25双肢剪力墙计算过程实例双肢剪力墙计算过程实例 命令流（模态分析）命令流（模态分析）! ! 计算墙肢预应力计算墙肢预应力/ /SOLU SOLU ! !* * ANTYPE,0ANTYPE,0PSTRES

30、,ON PSTRES,ON SOLVE SOLVE FINISH FINISH ! ! 无预应力模态分析无预应力模态分析/SOLU /SOLU ! !* * ANTYPE,2ANTYPE,2MODOPT,LANB,40 MODOPT,LANB,40 ! ! Block Lanczos 法计算前法计算前 40 阶模态阶模态FINISHFINISH! ! 施加预应力后的模态分析施加预应力后的模态分析/SOLU /SOLU ! !* * ANTYPE,2ANTYPE,2MODOPT,LANB,40 MODOPT,LANB,40 ! ! Block Lanczos 法计算前法计算前 40 阶模态阶模态PSTRES,ONPSTRES,ONFINISHFINISHLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS14 April 2008通用有限元程序ANSYS及应用L8-26双肢剪力墙计算过程实例双肢剪力墙计算过程实例 命令流（时程分析）命令流（时程