abaqus中混凝土损伤塑性模型材料参数的设定

abaqus中混凝土损伤塑性模型材料参数的设定

在有限软件中，材料参数的定义是为了模拟材料的性能而定义的。从数值分析的角度而言,需要考虑采用一个复杂的本构模型来解决局部破坏的边界值问题。特别是当结构采用混凝土时,需要设置大量的参数。与其他材料一样,已对混凝土的力学性能进行了相应的试验研究,例如混凝土单轴受压和单轴受拉试验等。目前,钢筋混凝土结构中模拟材料失效与截面断裂已成为进行结构非线性分析所必须解决的基本问题之一。由于混凝土材料本身的力学性能的复杂性,迄今为止尚未有公认的理论或本构模型可以广泛适用于混凝土结构分析。一些有限元软件如ANSYS、ABAQUS和ADINA等都有各自的混凝土材料本构模型,但其用于分析各种受力情况下钢筋混凝土结构的力学性能有待进一步探讨。ABAQUS中的损伤塑性模型是众多混凝土材料性能本构模型中的一种,其采用损伤因子这一标量参数来考虑材料的失效特性,可适用于材料的拉压。本文将探讨损伤塑性模型的基本特点,讨论一些重要的设置参数的定义和计算方法。通过对钢筋混凝土单层单跨框架进行有限元分析,对比与试验数据之间的差异,并分析各参数设置对计算结果的影响。1凝土损伤模型用分析软件ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型来定义混凝土的非弹性行为,这是一个连续的基于塑性混凝土损伤模型,两个主要的假设破坏机理是混凝土材料的拉裂和压碎,屈服面的发展是由两个硬化常数来控制,该模型可用于单向加载、循环加载及低侧压下的动态加载等情况,在循环反向加载时可对材料的刚度恢复进行控制,在ABAQUS/Standard中可通过调整弹塑性本构方程来改善应变软化阶段的收敛速度。1.1材料弹性刚度由Kachanov首先提出,之后由Rabotnov和其他学者进一步发展起来的无量纲各向同性材料的本构方程可写成以下表达式其中,σ为应力张量;d为损伤因子,无量纲化的刚度退化变量;ε为应变张量;D0el为初始(未受损伤)的材料弹性刚度;Del=(1-d)D0el为受损伤之后的弹性刚度。在混凝土损伤塑性模型中,刚度退化的前提条件是由最初的各项同性所决定,通过将受压损伤和受拉损伤的初始值设为零来实现。1.2拉伸硬化和压缩硬化受拉和受压的损伤状态是以两组独立的硬化常数为特征,其中分别涉及到受拉和受压的等效塑性应变,拉伸硬化和压缩硬化可以进一步写成以下表达式混凝土的拉裂和压碎特性是由不断增加的拉伸硬化和压缩硬化的两组数值来表现的,这些变量决定了屈服面的形成以及弹性模量的退化。1.3屈服函数的描述屈服函数代表了可中止破坏和损伤状态的一个有效应力空间平面,对于非相关塑性损伤模型,屈服函数可表示为;塑性流取决于流动势函数,其根据非相关塑性流动法则得到。2应力-应变本构模型的建立混凝土损伤塑性模型中的本构计算参数包括膨胀角ψ、流动势偏移值m、双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度比αf、拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量之比γ以及粘性系数μ。参数ψ和m用来描述流动势函数的形状,而αf和γ则用来描述屈服面的形成。在损伤塑性模型中的流动势函数可表示为Drucker-Prager双曲线函数其中,ft和fc分别为混凝土单轴抗拉和单轴抗压强度;ψ由p-q平面最高侧向压力测得;m的流动势等位面由p-q平面决定;,其为有效静压力;为Mises等效有效应力,,其为有效应力张量的偏分量。非相关的流动法则要求有一个加载面的定义,混凝土塑性损伤模型使用的加载函数表达式如下参数α基于Kupfer曲线计算得到,取决于双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度之比。的最大特征值,符号〈〉代表函数,函数的表达式其中,分别为有效拉应力和有效压应力。拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量之比γ应由混凝土三轴压缩实验确定,表达式为:,其中系数,由给定的状态量p軈的定义,J2为应力偏量第二不变量,下标TM和CM分别代表屈服面上的受拉屈服线(σ1>σ2=σ3)和受压屈服线(σ1=σ2>σ3)。基于单轴受拉和单轴受压实验的应力-应变曲线,可得到单轴受拉的应力-开裂应变和单轴受压的应力-非弹性应变的数值。另外,假定混凝土弹性模量介于0.3fc与0.7ft之间,在此基础上确定损伤因子dt的值,找出受拉损伤因子dt与开裂应变、受压损伤因子dc与非弹性压碎应变之间的取值关系;流动势和加载面的形状由ψ、m、αf和γ这4个参数的取值确定,其中参数αf=fbo/fc的数值可由Kupfer曲线确定;而参数γ决定了屈服面在偏量面上的形状,文献建议取值0.667。3实例分析3.1材料和计算参数计算模型选取杨禹丞进行的低周往复加载试验,试件构型如图1所示。根据试验模型的几何尺寸在ABAQUS中建立有限元模型,并根据材性试验结果确定计算参数的取值。表1给出了梁柱试件尺寸以及配筋情况,表2给出了材性试验测得的混凝土与钢筋的力学性能。有限元模型采用分离式建模,混凝土采用ABAQUS单元库中的C3D8R八结点线性三维六面体缩减积分单元,钢筋采用T3D2两结点线性三维桁架单元,框架钢筋网通过EMBED命令嵌入混凝土中,为了避免加载点产生局压破坏,通过Coupling命令,采用分布耦合方式将受力面耦合到一点。用荷载控制和位移控制两种加载方式对模型进行单调加载。分析表明,加载方式对结果的影响可以忽略不计。由能量等效原理得到混凝土本构理论的材料计算参数。在弹性受力阶段,弹性模量的取值为25.4GPa,泊松比为0.19,硬化和软化规则以及受拉和受压损伤因子的计算取值如表3和表4所示,其值与非弹性应变的取值有关。钢筋的本构关系采用强化二折线模型,无刚度退化。3.2有限元分析结果图3给出了有限元分析混凝土最大塑性应变云图。从图中可以看出,梁柱端部混凝土损伤严重,钢筋亦发生屈服破坏且有较大的变形,在角点处分别先后产生4个塑性铰形成塑性破坏机构。有限元模拟与试验构件受力破坏过程基本一致,说明有限元分析结果能较真实形象地反映结构构件的破坏情况。图4给出了试验结果与有限元模拟的荷载-位移对比曲线。可以看出,框架构件在弹性受力阶段有限元分析值与试验值吻合得较好;但屈服荷载和最大承载力比试验值略高。分析其原因,是由于混凝土材料组成的不均匀性,试件存在初始微裂缝,混凝土卸载时留有残余变形,另外还有弹塑性本构关系无法精确定义屈服条件等。这一系列因素导致有限元模型与试验结果之间存在一定的偏差。但有限元模拟曲线与试验结果的规律性基本一致,偏差也在可接受范围内,因此采用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土结构进行模拟具有一定的可行性。3.3参数分析3.3.1膨胀角的影响通过改变膨胀角的取值,来对比分析膨胀角对荷载-位移曲线的影响,如图5所示。膨胀角分别取30°、38°、45°。随着角度取值的增大,框架的极限承载力有一定程度的提高,但提高幅度不是很大。膨胀角如何精确取值到目前为止未有定论,需要依据具体情况而定,一般认为取30°较为合理。3.3.2荷载-位移曲线粘性系数是描述混凝土材料性质中一个非常重要的计算参数,其取值大小对分析运行的收敛性和有限元分析结果荷载-位移曲线的影响很大。图6给出了粘性系数分别取值为0.004、0.005、0.006时结构的荷载-位移曲线。通过建模分析,进行大量的取值试算发现,软件设定参数粘性系数取值偏大,结构有变刚的趋势;取值偏小,则分析运行越难于收敛。为了保证计算精度,可根据需要进行试算确定。4模型材料参数取值的应用注意事项通过分析,主要得到以下结论:(1)ABAQUS所提供的基于塑性连续的混凝土损伤模型,以混凝土材料拉裂和压碎为其主要的破坏形式,用于钢筋混凝土结构的非线性分析是行之有效的;(2)混凝土损伤塑性模型材料参数的取值依赖于大量的试验数据,其中包括混凝土单轴受拉和受压试验、平面应力状态下的双轴失效Kupfer