ANSYS在鋼筋混凝土力學(xué)分析方面的應(yīng)用

2013-07-20 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來源:仿真在線

1 引言

由于鋼筋混凝上材料性質(zhì)復(fù)雜,使其表現(xiàn)出明顯的非線性行為。長期以來采用線彈性理論的設(shè)計(jì)方法來研究鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或內(nèi)力,顯然不太合理,盡管有此理論是基于人量試驗(yàn)數(shù)據(jù)上的經(jīng)驗(yàn)公式,還是不能準(zhǔn)確反映混凝上的力學(xué)性能,特別是受力復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu),必須采用三維鋼筋混凝上非線性有限元方法才能很好地掌握其力學(xué)性能。利用ANSYS對鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)彈塑性的仿真分析,可以對結(jié)構(gòu)自開始受荷載直到破壞的全過程進(jìn)行分析,獲得不同階段的受力性能。

2 模型的建立

2.1 單元類型的選取

2.1.1 混凝土單元

混凝上選用SOLID65單元。SOLID65單元在普通8節(jié)點(diǎn)三維等參元SOLID45單元的基礎(chǔ)上增加了針對混凝上材料參數(shù)和整體式鋼筋模型,常被用來模擬鋼筋混凝上和巖石等抗拉能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料,可以模擬混凝土材料的開裂和壓碎力學(xué)行為。
2.1.2 鋼筋單元

可采用桿元來模擬縱筋,一般利用空間單元LINK8單元或空間管單元PIPE20建立鋼筋模型,與混凝上SOLID65單元共用節(jié)點(diǎn)。用COMBINE39來模擬鋼筋和混凝上之間的粘結(jié)。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系模型

2.2.1 混凝土本構(gòu)模型

彈塑性本構(gòu)關(guān)系把服而和破壞而分開來處理。根據(jù)彈塑性理論建立混凝上的本構(gòu)關(guān)系時(shí),必須對屈服,條件流動法則、硬化法則即塑性模型三要素做出基本假定。ANSYS彈塑性本構(gòu)關(guān)系主要使用Mises屈服準(zhǔn)則或Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。
2.2.2 混凝土破壞準(zhǔn)則

一般強(qiáng)度準(zhǔn)則的參數(shù)越多,對混凝土強(qiáng)度性能的描述就越準(zhǔn)確,多參數(shù)模型大多基于強(qiáng)度試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)而進(jìn)行曲線擬合。ANSYS中的混凝上材料特性用改進(jìn)的William Wamke五參數(shù)破壞破壞準(zhǔn)則和拉應(yīng)力的組合模式,其破壞而子午線和偏平而見相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2.3 鋼筋本構(gòu)模型

一般采用雙線形理想彈塑性模型,在ANSYS中,鋼筋可以選擇經(jīng)典雙線性隨動強(qiáng)化模型(BKIN)和雙線性等向強(qiáng)化模型(BISO)。
2.2.4 本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)

在SOLID65單元中實(shí)現(xiàn)上式的本構(gòu)關(guān)系需通過定義數(shù)據(jù)表。對于鋼筋材料,定義一個(gè)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)據(jù)表;而對于混凝土模型,則要定義兩個(gè)數(shù)據(jù)表,一個(gè)是本構(gòu)關(guān)系的數(shù)據(jù)表,另一個(gè)用于定義混凝上的破壞準(zhǔn)則。通過混凝上單元材料特性表定義混凝上的裂縫張開剪力傳遞系數(shù)閉合剪力傳遞系數(shù)、單軸和多軸抗壓強(qiáng)度等9個(gè)參數(shù),定義混凝上的W illian Wamke強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)的有限元模型可采用分離式、組合式和整體式,各種模式的優(yōu)缺點(diǎn)見文獻(xiàn)。其中整體式是將鋼筋分布于整個(gè)單元中,并把單元視為連續(xù)均勻材料,這類模型假定聯(lián)結(jié)較好,不考慮鋼筋和混凝上之間的滑移,通過鋼筋和混凝上之間公用節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)位移協(xié)調(diào)。

2.4 邊界條件處理

2.4.1 在支座和集中力作用處加剛性墊塊

因?yàn)樗休d荷都是通過有限人小的壓力面來添加或傳遞到真實(shí)部件上去的,所以可在支座和集中力處加以處理使其接近真實(shí)的受力狀態(tài),從而消除計(jì)算中的應(yīng)力奇異現(xiàn)象。一般加一個(gè)小尺寸的墊塊,可用SOLID45單元來模擬定義剛性墊塊,通過公用節(jié)點(diǎn)使剛性墊節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的混凝上節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)。經(jīng)過ANSYS計(jì)算,此方法能有效解決應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.4.2 將集中力等效為均布力作用在微元上

選擇一些與作用的中心點(diǎn)相鄰近的小單元來共同承受邊界條件,將集中力等效成均布力作用在選定的單元上或鄰近的節(jié)點(diǎn)上。這一方法更接近真實(shí)的受力情況。

2.5 網(wǎng)格的劃分和求解

模型的分析是非線性靜力分析過程,非線性方程組的求解采用New-Raphson迭代法。ANSYS為非線性分析提供了多種增強(qiáng)收斂的辦法,影響計(jì)算結(jié)果收斂卞要因素是荷載水平、網(wǎng)格密度、子步數(shù)、收斂標(biāo)準(zhǔn)等,可通過一此措施來改進(jìn)和提高收斂速度與解的精度。

2.5.1 控制網(wǎng)格和單元尺寸

劃分密度適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格有助于收斂;在實(shí)際應(yīng)用過程中,應(yīng)該對單元劃分進(jìn)行有效控制,當(dāng)最小單元尺寸大于5cm時(shí),就可以有效避免應(yīng)力集中帶來的問題。

2.5.2 收斂標(biāo)準(zhǔn)控制

一般位移控制加載最好用位移的co-范數(shù)控制收斂,而用力控制加載時(shí)可以用殘余力的2-范數(shù)控制收斂。在裂紋剛剛出現(xiàn)和接近破壞的階段,可以適當(dāng)放松收斂標(biāo)準(zhǔn),保證計(jì)算的連續(xù)性,誤差控制可以在2%-3%之間,一般不超過5%。

2.5.3 荷載步和了步的設(shè)置

NSUBST設(shè)置的太大或太小都不能達(dá)到正常收斂,必須合理設(shè)置子步數(shù)并且打開線性搜索、預(yù)測等項(xiàng)以加速收斂。荷載步增量對收斂有較人的影響,必須合理設(shè)置荷載步以保證結(jié)果收斂穩(wěn)定性和有效逼近問題的真實(shí)解。

3 算例

本算例為一鋼筋混凝土簡支梁的開裂問題?；炷捎肧OLID65模擬,圖1給出了混凝土簡支梁的有限元模型。圖2給出了混凝土的參數(shù)的輸入界面。