钢管混凝土ABAQUS建模过程5268

钢管混凝土ABAQUS建模过程Part模块一、钢管1.壳单元概念：壳单元用来模拟那些厚度方向尺寸远小于另外两维尺寸,且垂直于厚度方向的应力可S开头。轴对称壳单元以字母SAX开头，反对称变形的单元以字母SAXA开头。除轴对称壳外，壳单元中的每一个数字表示单元中的节点数,而轴对称壳单元中5，那么这种单元只要有可能以忽略的的结构。以字母的第一个数字则表示插值的阶数。如果名字中最后一个字符是就会只用到三个转动自由度中的两个。2.壳单元库一般三维壳单元有三种不同的单元列示：①一般壳单元：有限的膜应变和任意大的转动，允许壳的厚度随单元的变形而改变，其他壳限的转动.单元仅假设单元节点只能发生有②薄壳单元：考虑了任意大的转动,但是仅考虑了小应变。③厚壳单元：考虑了任意大的转动，但是仅考虑了小应变.壳单元库中有线和性二次插值的三所有的四边形壳单元(除了S4）和三角形壳单元S3/S3R采用减缩积分。而S4和其他三采用完全积分。角形、四边形壳单元，以及线和性二次的轴对称壳单元。角形壳单元3.自由度以5结尾的三维壳单元，每一节点只有自由度（没有绕壳面法线的转动自由度)。然而，如果都是可以激活的.5个自由度：3个平动自由度和面内的2个转动需要的话，节点处的所有6个自由度其他三维壳单元在每一节点处有6个自由度（三个平动自由度和3个转动自由度）。轴对称壳单元的每一节点有3个自由度：1r-方向的平动2z—方向的平动3r-z平面内的平动4.单元性质所有壳单元都有壳的截面属性,它规定了壳单元的材料性质和厚度。壳的横截面刚度可在分析中计算，也可在分析开始时计算。①在分析中计算:用数值方法来计算壳厚度方向上所选点的力学性质.用户可在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。②在分析开始时计算：根据截面工程参量构造壳体横截面性质，不必积分单元横截面上任何参量。计算量小。当壳体响应是线弹性时,建议采用这个方法。5.壳单元的应用如果一个薄壁构件的厚度远小于其整体结构尺寸，并且可以忽略厚度方向的应力,建议用壳单元来模拟。当厚度和跨度之比小于1/15，可以忽略横向剪切变形，则可以认为是薄壳问题；当厚度和跨度之比大于1/15，很小的剪切变形也不能忽略时，则认为是厚壳问题。要求:大应变.仅在几何非线性分析中考虑壳单元厚度的改变，壳单元厚度方向上的应力为0，应变只考虑来自泊松比的影响。二、混凝土三、端板解析刚体:计算成本上解析刚体小要于离散刚体，但是解析刚体不能是任意的几何形状,而必须具有光滑的外轮廓线。一言，如果可以使用解析刚体的话，使用解析刚体进行模拟是更为合适的般而离散刚体：相同的，唯一不同的是,在划分网格时离散刚体不能使用实体单元,必须在Part模块下将实体表面转换为壳面,然后使用刚体单元划分网格。离散刚体在几何上可以是任意的三维、二维或轴对称模型，同一般变形体是使用刚体部件是不需要赋予部件材料属性的，但是在不完全约束刚体自由度的情况下必须指定刚体集中质量和转动惯量。当定义材料属性的时候，在考虑大应变的时候，应力指的是柯西应力(即在现时构型上所定义的应力），应变指的是自然应变,即,材料数据必须根据这个独立变量的增长而给出。进行线性插值.在给定的独立变量范围之外，ABAQUS假定材.（除了织物材料，,我们需要格外注ABAQUS会根据料数据为常数其为线性外推）因此，在输入数据的时候意。当材料属性是多个变量的函数时，如图所示：,但是在一个分析中，我们不需要定义所有的性质，我们只需要.不过如果定义了一些跟当前分析无关的材料性质，那也是没有关系的,ABAQUS会自动忽略。混凝土损伤塑性模型是不能有任何以分布定义的材料,那么将不能使用温度或者其他场变量相关的密度。密度行为用,除了刚性单元。对于有限应变计算，如果纯粹的弹性应变很大5%），那么我们应该用织物模型.线性弹性或者多定义与当前分析有关的材料性质即可行为。如果使用了分布质量于指定所有单元的质量密度、超弹性模型或者泡沫超弹性模型空弹性适用于大应变是非弹性的情形。线弹性、多孔弹性和亚弹性在应力水平达到弹性模量的50％或者更高的水平时，会表现出很差的收性敛。在小应变情况下有效(应变小于5%）;可以是各向同性、各向异性；可以与温度以及其他;对于连续实体单元可以定义分布.在有限应变问题中:应力为柯西应力,应变为自然应变，弹性模量为四阶张量。在大应变问题中，当弹性应变很大时，不要使用线弹性材料定义,而应该使用超弹性材料模型（像橡胶一样的材料）。最简单的线弹性应力应变关系式如下所示：G=E/2(1+v）;E和v可以是温度或者其他场变量的函数.各向同性弹性材料可以通过分布有空间各样的弹性行为,当使用了分布就不能再使用温度和其他场变量相关的弹性常数。稳定准则要求E〉0，G>0,-1<v〈0.5.当v〉0。495时，对于线弹性材料，为了避免可能经典金属塑性理论:必须与线弹性材料模型或者状态方程一起应用。一、屈服准则：米塞斯和希尔屈服面假设金属的屈服与等效压应力无关：这个假设已经被大多数金属受压试验所证实（除了废弃金属），况下,这个假设就可能不太精确了.因为这种情况会导致裂纹附近的应些极端热负荷下,比如说焊接过程，候应该使用多孔金属塑性模型。但是对于承受很高的三轴张力的金属或者材料有空洞的情力场的出现，并且在一这个时1.米塞斯屈服面米塞斯屈服面用于各向同性材料，它的定义通过给定单轴屈服应力作为单轴塑性应变、温度或者其他场变量的函数.2.希尔屈服面异性屈服模型硬化准则在ABAQUS里面,我们可以定用于各向.义理想塑性材料，也可以定义强化准则。各向同性强化，5.随动强化ABAQUS提供了两个随动强化模型用于模拟金属的循环荷载模型。线性随动强化模型：以恒定的硬化速率来模拟硬化行为三、速率的相关性当应变速率增长时，许多材料的屈服强度也会随之增长率达到0.1—1每秒时很重要；在应变速率达到10—100每秒时非常重要,这是高能动态事件或者制造过程的特点。pl•代表等效塑性应变，代表等效应变速率，R是一个比率,pl~0代表静态屈服应力,当等效应变速率为零时，R=1.0。3.用户子程序四、初始条件对于更加复杂的情形，可以通过用户子程序来定义23。6。3混凝土损伤塑性模型一、参考材料二、综述ABAQUS中混凝土损伤塑性模型：1.提供了一个模拟任何结构中(梁、桁架、壳、实体)的混凝土和其他准脆性材料的通用方法。2.利用各向同性弹性损伤和各向同性抗拉和抗压塑性的概念来模拟混凝土的非弹性行为。3.可以用于素混凝土，尽管主要是用于钢筋混凝土结构。4.可以与钢筋一起应用用于模拟钢筋混凝土.5.可以应用于混凝土在低围压下受单调、循环和/或者动力荷载。6.包含非关联的多向硬化塑性和标量各向同性损伤，可以用于描述在破坏过程中不可逆转的损伤。7.在循环往复荷载中，允许用户控制刚度恢复.8.可以定义与应变速率有关。9.可以与粘塑性正规化的本构方程一起应用，并且可以改善软化段的收敛速率。10.要求材料的弹性行为是各向同性并且线性的。11.细节定义请参看“Damagedplasticitymodelforconcreteandotherquasi—brittlematerials，”Section4.5。2oftheAbaqusTheoryGuide。三、力学行为该模型是连续的、基于塑性的混凝土损伤模型。它假设两个主要的失效机制是混凝土的受拉开裂以及受压压溃.屈服面的演变主要由两个硬化变量来控制，即受拉等效塑性应变和受压等效塑性应变，与受压受拉的失效机制有关。以下章节将讨论混凝土力学行为的主要假设。该模型假设混凝土的单轴拉伸和压缩响应以塑性损伤为特征。如图所示：单轴受拉情况下，应以应变曲线在失效应力以前,遵循线弹性关系。失效应力对应混凝土材料微裂缝的出现。超过失效应力以后,微裂缝的发展在宏观上表现为应力应变曲线的软化段，该效应将会引起混凝土结构的应变局部化。之前，应力应变曲线是线性的。在塑性区段，该响c0单轴受压情况下,在初始屈服点强化，在超过极限应力之后，表现为应应表现为应力变软化。该表达在某种程度上有点cu假设单轴应力应变曲线可以转化成应力-塑性应变曲线。（ABAQUS会将用户提供的应力t和c分别代表受拉和受压；括号里第一个变量代表等效塑性应变,第二个变从上图中，我们可以看出,当混凝土试件从应变软化段的任何一点卸载的时候，卸载响应都会变弱,即材料的弹性刚度表现为受损。弹性刚度的受损通过两个变量来表示，dt和dc,损伤变量可以从0取值到1,0代表损未伤，1代表完全损伤。如果E代表材料的初始弹性刚度，那么单轴受拉和受压下的应力应变关系为:0有效应力决定了屈服面的大小。2.单轴循环行为在单轴循环荷载情况下，刚度退化机理非常复杂，其中包含开裂和微裂缝的闭合，还有他们之间的相互作用.试验观测得知：随着荷载方向的改变，会有一些弹性刚度的恢复。刚度恢复效应，也被称为单边效应，是混凝土在循环荷载下一个重要的表现。该效应在荷载从0该表达式包含了拉伸和压缩行为。刚度损伤变量d是应力状态和单轴损伤变量dt、dc其中，st和sc是应力状态的函数，并且引进了模型刚度恢复效应：权重因子wt和wc假设与材料性质有关，控制着拉压刚度恢复.为了理解这一点，如下0且d0,因当荷载由拉力变为压力时，假设材料则ccr10，dd在受拉，因此,11侧,t在手压0,r0d(1w)dcw1，则d0；因此，材w0侧,，因此，，如果c11tEE）。完全恢复（在图示情况下即为初始未损伤刚度，反之，,0c料的受压刚度则dd，因此没有刚度恢复。在0~1之间代表刚度部分恢复.wct，^转换成多轴应力下的权重因子1i1,2,3）代表主应力分量.xxx。2^其中（i更多细节请参见“Damagedplasticitymodelforconcreteandotherquasi-brittlematerials,"Section4。5.2oftheAbaqusTheoryGuide。四、钢筋在ABAQUS中，混凝土结构一般是通过提供钢筋来进行加固，其中,钢筋是一种一维杆它可以单独定义,也可以嵌在表件，面。钢筋一般使用金属塑性模型。使用这种建模方法，混凝土的行为则与钢筋无关。钢筋/混凝土界面效应,比如说粘结滑移和销栓作用通过引入混凝土拉伸硬化来近似模拟通过钢筋的裂缝荷载传递。详情请参见下面的拉伸硬化。在复杂的问题中，定义钢筋是一件非常繁杂的事情，但是准确定义钢筋又是一件非常重要的事情,因为如果在一个模型的关键部位缺少钢筋，那么这个模型很有可能就会失效.更多信息请参见“Definingrebarasanelementproperty，”Section2。2.4。五、定义拉伸硬化拉伸硬化允许为开裂混凝土定义应变软化行为。该行为也允许钢筋与混凝土界面的简单模拟。拉伸硬化在混凝土塑性损伤模型中定义.可以通过失效后的应力应变关系或者断裂能来定义拉伸硬化。1.失效后应力应变关系在钢筋混凝土中,失效后行为一般意味着给定一个失效后应力，并作为开裂应变的函数。0tt0/100。t0规定了一个下限值，即t出。当卸载数据可用时，数据通过拉伸损伤曲线给出，即d。ABAQUS会通过下列表达式将开裂应变自动转化成塑性应变：tt如果算出来的塑性应变值为负数或者随着开裂应变的增加而减少，ABAQUS将会报错,~~这就意味着拉伸损伤曲线是错误的.如果没有拉伸损伤，则。t在钢筋混凝土的实际计算中，网格通常是这样子的，即每个单元都包含钢筋。钢筋与混的相互作用倾向于减少网格依赖性，只要给定一个合理的拉伸硬化来模拟这个相互作用。这需要对拉伸硬化效应有一个合理的评估,拉伸硬化效应取决于钢筋密度和钢筋的粘结质量、混凝土骨料相对于钢筋直径的尺寸、还有网格。对于钢筋相对较多并且为网格划分较细的混凝土，我们假设失效之后的应力软化导致应力直线下降到10倍失效应变.标准混凝土的失效应变一般是104，这就意味着拉伸硬化导致应力降低到0的时候，总的拉伸硬化参数的选取是一件非常重要拉伸硬化过少会导致混凝土局部开裂，从而导致整个模型的响应出现临时不稳定。几乎没有哪个实际的设计会表现出这种行为,因此分析模型出现这种响应就意味着拉伸硬化过少。的事情，因为拉伸硬化越多，越容易得到数值解。当模型的重要部位没有配置钢筋时，拉伸硬化的方法会导致不合理的网格依赖性。然而，从实用角度来说，Hillerborg的断裂能准则可以减少这种依赖性。Hillerborg使用脆性破坏的,把使单位面积的裂纹打开所需要的能量作为一个材料参数。使用这种方法，混凝土的-位移来描述而不是应力下,混凝土该试件就已经被分开了（因将裂由缝开口决定,但是裂口不依赖与时间的长脆性行为是通过应力—应变曲线来描述。在拉力的作用试件的裂缝会经过某些截面，当该试件上大部分的应力都消除之后，弹性应变很小）,试件的断裂能模型可以通过失效后应力—开裂位移来定义，如下图所示：属性直接定义；在这种情况下，我们可以定f义失效应力作为相关断裂能的函数。该模型假设开裂之后强度是线性损失的。如下图所t0u2G/。一般来说，对于一般的混凝土结构，当G为40N/m，当混凝土强度为20MPa时，断裂能强度为40MPa时,断裂能大约为f强度完全损失时的开裂位移为t0ft0混凝土120N/m。如果定义了受拉损伤因子d，ABAQUS会通过下列公式把开裂位移自动转化成塑性位t其中试件长度假设为1.在有限元模型中，应力—位移概念的应用需要相关集成点的特征长度的定义。特征开裂长度基于单元几何类型和方程：对于一阶单元来说，这就是一个跨越一个单元的典型直线的长度，对于二阶单元来说，是一阶单元的一半长。对于梁和桁架来说，特征长度沿着单元的轴线。对于膜和壳单元来说是参考平面的特征长度.对于轴对称单元来说只是r-z平面的特征对于粘结单元来说等于本构厚度。因为我们事先是不知道裂缝的方向的,所以我们需不同的行为此建议使用长宽比接近1的单元。另外，在用指定特征长度作为单元拓扑和材料导向的函数来减少。详要定义一个特征裂:由于这种效应，一些网格依赖性会户子程序里这种网格依赖性可以通过情请参见“DefiningthecharacteristicelementlengthatamaterialpointinAbaqus/Explicit”in“Materialdatadefinition,”Section21。1。2六、定义压缩行为你可以定义素混凝土在单轴受压荷载下超出弹性范围的应力应变行为。作为非弹性应变的表格函数来给出，如果需要的话，还可以与应变速率、温度和其他场变量有关。受压应力应变必须是正值.应力应变曲线可以定义到超出极限应力一直到应变软化段。压应力数据通过inpl~.受压非弹性应变等于总c~硬化数据是通过非弹性应变给出的，而不是塑性应变cin变，即el~应变减去弹性应，其中/E,如图23。6.3—6所示。卸载数据elcc0c0cc0inc来给出.ABAQUS会通过以下关系式将非弹性应变自动转化成塑性~d通过受压损伤曲线c如果算出来的塑性应变值为负或者随着非弹性应变的增长而减少，那么ABAQUS将会报in~c~错。如果没有受压损伤，那么。c量d和/或者表格给出.如果不考虑损伤,那么模型表现为塑性模型；in~c。~~~且tc在ABAQUS里面，损伤变量被看做不会减少的材料属性。在每一个分析步里面，损伤变量的值都是取上一增量和当前增量的损伤变量的较大值。损伤参数的取值很重要，因为一般来说，过度损伤可能对收敛速度有很大的影响。建议0.99，这意味着刚度有99%的折减。1.拉伸损伤你可以定义单轴拉伸损伤作为开裂应变或者开裂位移的表格函数。2.受压损伤你可非弹性应变的表格函数。以定义单轴受压损伤变量d作为c3.刚度恢复如上所述，刚度恢复是混凝土受循环荷载力学响应的一个重要方面。ABAQUS允许用户tc实验观测到大多数准脆性材料,包括混凝土，当荷载从拉力变为压力时,其受压刚度从裂缝闭合而来。另一方面，当微裂缝形成后，受拉刚度并不会因为荷载从压力变为拉力而恢复.wtc八、速率相关性准脆性材料的速率相关行为主要与高应变速率对微裂缝发展所产生的延迟效应。该效应在受拉荷载下显得尤为显著。随着应变速率的增长，应力应变曲线的非线性程度会下降并且峰值应力会提高。你可以定义拉伸硬化作为开裂应变速率的表格函数，定义压缩强化作为非弹性应变速率的表格函数。九、混凝土塑性你可以通过定义流动势、屈服面和粘度参数来定义混凝土塑性损伤模型.塑性流动势函数和屈服面要使用有效应力张量的两个应力不变量,即静水压力和米塞斯等效应力其中：2.塑性流动混凝土损伤塑性模型假设非关联的塑性流动势函数.该模型使用的流动势函数为drucker—prager双曲线函数：高围压力作用下p—q平面测量到的膨胀角it0,f单轴的失效拉应力，从用户给定的拉伸硬化数据中it•pl~tpl0,~t0取得,f一个参数，代表离心率，用来定义函数接近其渐近i线的速率(当偏心率趋于0的时候，塑性流动趋于直线）塑性流动是连续且光滑的，这样才能确保流动方向是唯一确定的。在高围压的时候,该函数趋向于线性drucker-prager流动势且与静水压力轴呈90相交。更多讨论请参见“Modelsforgranularorpolymerbehavior，”Section4。4。2oftheAbaqusTheoryGuide。流动势的离心率默认值为0.1，这也意味着在一个相当广的围压应力值范围内，材料有着几乎不变的膨胀角。离心率的增加会使得流动势更加弯曲，这意味着膨胀角的增长速度远远大于围压的下降速度。如果材料受到低围压，当离心率的值小于默认的值时，将会导致收敛问题，因为在和p轴相交的地方塑性势的局部过于曲率。3.屈服函数该模型利用了Lublineret.al。（1989)的屈服函数，并且经过leeandfenves的修正，用plpl~和决定的。根据c~来描述在拉力和压力作用下强度的发展.屈服面的发展是由硬化变量t有效应力，屈服函数有如下形式：其中：^有效主应力的最大值max/b0双轴抗压等效屈服应力与单轴抗压屈服应力的比值，默认c0为1.16；K在给定的压力不变量下,拉子午线上的第二应力不变量与c第二应力不变量的比值，必须满足0.5K1.0的条件.压子午线上的ctpl~有效拉伸聚合力tcpl~有效压缩聚合力c,混凝土损伤模型的应用将会导致不对称的材料刚度矩阵.因ABAQUS/standard中获得一个可以接受的收敛速度，需要使用非对称的矩阵存储.如果在分析中使用混凝土塑性损伤模型，ABAQUS/standard将会自动激活非对称analysis，”Section6.1.2)材料模型表现出来的软化行为以及刚度退化在隐式分析程序里面经常会导致严重的收敛困难,如ABAQUS/standard.为了克服这一缺点，我们使用本构方程的粘塑性正则化，在时，v其中，d是由非粘性的骨架模型计算出来的刚度退化变量。因此,粘塑性模型的应力应变关系式如下:利用粘塑性正则化，使用一个较小的粘性系数（相对特征时间增量来说较小），在不影响结果的情况下,通常有助于软化段的收敛速度的提高。基本思想就是说粘塑性系统的解在t/时趋于非粘性的解，其中t代表时间。可你以指定粘性系数的值作为混凝土损伤塑性行为的一部分。如果粘性系数的值不为零,那么输出的塑性应变和刚度退化结果指的就pl和d。在ABAQUS/standard里面，粘性系数的默认值为0，即不会有粘塑是粘塑性的值,性正则化.vv十、材料阻尼混凝土损伤塑性模型可以与材料阻尼如果指定刚度与阻尼成比例，ABAQUS则会在未损伤弹性刚度的基础上计算阻尼率下,这将会在单元上产生巨大的人工阻尼力并使结构严重破坏。一同使用.(参见“Materialdamping，”Section26.1.1).在高应变速十一、裂缝方向的可视化十二、单元ABAQUS为混凝土损伤塑性模型提供了一系列可供使用的单元:桁架、壳、平面应力、平面应变、广义平面应变、轴对称和三维单元。大部分的梁单元可以使用；但是有扭转产生的剪应力并且不包括环向应力的梁单元是不能使用的.薄壁开口的梁单元和管单元可以在ABAQUS/standard中使用。对于一般的壳分析，不仅仅是默认的在厚度方向有五个集成点的壳单元可以使用;有九的混凝土结构中.个厚度集成点的壳单元通常用于抗连续倒塌十三、输出出来ABAQUS的标准输出外“(Abaqus/Standardoutputvariableidentifiers，"Section4。2。1，and“Abaqus/Explicitoutputvariableidentifiers,”Section4。2。2），下列的字符是专门关于材料点的变量：塑性理论大多数工程材料在一开始都是表现为弹性行为。弹性行为意味着变形是完全可以恢复的:即当荷载撤掉厚，试件变为原始的形状.如果荷载超过一定的限制（屈服极限)，变形将不再是完全可以恢复的.当荷载撤掉后有一些变形还是存在的,比如说当一个回形针过度弯曲或者金属在加工过程中受到辊闸和锻造。塑性理论就是为了模拟材料在经历不可恢复的变形时所产生的力学反应.该理论被广泛地应用于金属中，但是他们也被应用到岩土、混凝土、岩石、冰、可压碎的泡沫。等这些材料有非常不同的行为表现。比如，在巨大的纯静水压力下，金属几乎没有非弹性变形，但是非常小的静水压力值有可能导致非常大的不可恢复的体积变形在土壤试件中。尽管如此,塑性理论的基本概念对于广泛应用该理论的材料来说都是成功的.ABAQUS中大部分的塑性模型都是应用增量理论,即把应变率分解为弹性部分和塑性部分。增量塑性理论通常包括如下部分：屈服面，即把屈服荷载的概念一般化为一个函数，该函数用来判断在一个特定的应力状态、温度等等情况下，材料是否发生屈服。流动法则,用来定义非弹性变形当材料的力学反应不再是纯粹弹性的情况。硬化法则，用来定义硬化,当非弹性变形发生的时候，屈服和流动的改变方式。ABAQUS/standard也有形变塑性模型，即应力是通过全部应变来定义的。这就是ramberg-osgood模型(“Deformationplasticity,”Section23.2.13），并且主要是针对延性断裂力学,因为延性断裂力学需要全塑性解.一、弹性反应ABAQUS塑性模型也需要一个弹性定义来处理可恢复的变形。在ABAQUS里面，弹性包括线弹性、相关的一些塑性模型、多孔弹性（参见“Materialdatadefinition，”Section21。1.2）。在ABAQUS/explicit中，mises和johnson—cook塑性模型也可以通过偏相关行为的状态方程来定义.当执行一个弹塑性有限应变分析时，ABAQUS假设塑性应变控制着变形且弹性应变很小。ABAQUS使用的弹性模型应用了该限制.这是模量来小常；比如说材料的屈服应力一般不到其杨氏模小于1%，并且材料的弹性以被模拟的非常精确假设为线性的合理的，因为大部分