基于ansys的预应力混凝土材料非线性求解ppt课件

1、基于ansys的预应力混凝土材料 非线性求解,汇报人：邱衍坚 导 师：胡峰强副教授,南昌大学建筑与土木工程 2014年6月,南昌大学硕士学位论文答辩,汇报提纲,1.概述,2.模型建立,3.网格划分,4.施加约束条件,5.非线性求解控制,6.求解及后处理,南昌大学硕士学位论文答辩,Part 1,1. 概述,1.1 ansys分析功能,Ansys软件可进行结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析、耦合场分析,1.2 ansys非线性分析,非线性分析包括几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。 本次讲解的主要是材料非线性分析，它包括弹塑性分析，蠕变分析，超弹性分析 。当应力低于比例极限，应

2、力应变是线性的；应力超过屈服强度，应力应变曲线表现为非线性，这个时候产生塑性行为，即卸载后，变形不能完全恢复，残留的部分变形就是塑性变形了,南昌大学硕士学位论文答辩,2.1 ansys建模方法,Part 1,2. 模型建立,Ansys建模方法：直接建模、几何建模、混合建模。 直接建模：直接建立有限元模型，即直接建立节点，由节点组成单元，从而构成目标模型。不用网格划分。适用于简单构件和桁架结构建模。 几何建模：先建立几何模型，即由点、线、面、体构成几何模型，再经过网格划分，转变成有限元模型。 混合建模：在生成有限元模型后，再建立少量的单元，如接触单元、表面效应单元、约束方程、耦合自由度等,结合某

3、预应力混凝土变截面连续箱梁桥0#块，主要介绍几何建模和混合建模,南昌大学硕士学位论文答辩,2.2 0#块图纸 考虑圣维南原理，需建立0#块和附近区域块体。 还有要建立纵向、横向、竖向预应力钢束模型,2.3 建立几何模型 先建立关键点,命令流：K,NPT,X,Y,Z 再由关键点连成线、面、体，命令流： L，P1，P2，NDIV，SPACE，XV1，YV1，ZV1，XV2，YV2，ZV2 A，P1，P2，P17，P18 V，P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8,创建好整体几何模型之后，还有一些细部构件需要建立，此时用到布尔操作，即相加、相减、切割、取交集、取并集、粘结等操作,对于对称构件

4、或相同构件，复制命令和镜像命令： KGEN,itime,Np1,Np2,Ninc,Dx,Dy,Dz,kinc,noelem,imove【注】Itime：拷贝份数；Np1,Np2,Ninc：所选关键点；Dx,Dy,Dz：偏移坐标；Kinc：每份之间节点号增量。 KSYMM,Ncomp,NP1,NP2,NINC,KINC,NOELEM,IMOVE 【注】Ncomp:需镜像的方向元素,点生成体,镜像,布尔减法,建立部分桥墩,VGLUE命令使墩梁粘结,南昌大学硕士学位论文答辩,主要有三个步骤： （1）定义单元属性：单元类型、实常数、材料特性、单元坐标系、截面号等,Part 1,3. 网格划分,2）定义

5、网格控制选项：网格大小、数量。网格划分太小，计算时间增加；划分太粗，计算精度不足,3）生成网格：即产生节点与单元，生成有限元模型。生成的单元形状可以自己控制，有三角形、四边形、四面体、六面体以及等参单元等,南昌大学硕士学位论文答辩,3.1 定义单元属性 3.1.1 单元类型 （1）单元类别：杆单元（link）、梁单元（beam）、管单元（pipe）、2D实体单元（plane）、3D实体单元（solid）等。 根据结构分析的目的和精度要求，对照各单元的特性，选择合适单元,2）定义单元类型： ET，ITYPE，Ename，KOPT1，KOPT6，INOPR 【注】KOPT1KOPT6为元素特性编码

6、，例如BEAM3的KOPT6=1时，表示分析后的结果可输出节点的力或力矩。可通过Keyopt单独设置。 INOPR为1时，不输出该类单元的所有结果。 本例中：et,1,solid65 !混凝土 keyopt,1,1,1 !不考虑大变形 keyopt,1,7,1 !考虑应力松驰，有助于计算收敛 et,2,link8 !预应力钢筋 也可写作et,1,65 $ et,2,8;即类别前缀可以省略，仅使用单元编号,南昌大学硕士学位论文答辩,3）删除单元类型： ETDELE,ITYP1,ITYP2,INC !单元类型编号范围及增量,4）改变单元类型： ETCHG,CNV !CNV转换到相应单元类型参数，T

7、TS（热到结构）、STT（结构到热）、FTS（流体到结构,3.1.2 实常数 一种单元类型可以定义多种实常数组，并非所有单元都需定义实常数。例如BEAM3、BEAM4需要定义实常数来反映截面特性（面积、惯性矩等），BEAM188、BEAM189只需输入截面尺寸，会自动计算截面特性，无需设实常数。 命令流：R，NSET，R1，R2，R3，R4，R5，R6 续：RMORE，R7，R8，R9，R10，R11，R12 本例中：r,5,3336 !定义纵向预应力钢筋面积 r,6,417 !定义横向预应力钢筋面积 r,7,491 !定义竖向预应力钢筋面积,南昌大学硕士学位论文答辩,3.1.3 材料属性 材

8、料属性如弹性模量、泊松比、密度等，与单元类型无关，但大多数单元需要定义材料属性以计算单元刚度。 在ansys中每一组材料属性有一个唯一的材料参考号。 （1）定义线性材料属性： MP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4 Lab材料性能标识，其值可取： =EX：弹性模量 $ =ALPX:线膨胀系数 =CTEX：瞬间线膨胀系数 $ =THSX:热应变 =REFT:参考温度 $ =GXY:剪切模量 =PRXY:主泊松比 $ =NUXY:次泊松比 =DENS:质量密度 $ =HF:散热系数 等等 MAT材料参考号 C0C4材料属性值，组成多项式 C0+C1(T)+C2(T)2+C3(T)3+C

9、4(T)4,南昌大学硕士学位论文答辩,2）激活非线性材料属性的数据表： TB,Lab,MAT,NTEMP,NPTS,TBOPT,EOSOPT Lab数据表类型，其值可取：BISO(双线性等向强化),MISO(多线性等向强化),NLISO(非线性等向强化), ANISO(各向异性）,BKIN(双线性随动强化),MKIN(多线性随动强化),KINH(多线性随动强化),CHAB(非线性随动强化), CONCR(混凝土五参数破坏准)等等。 MAT材料参考号 NTEMP设置欲提供数据的不同温度个数，温度值由TBTEMP定义。 NPTS给定温度下的数据点个数，对于大多数Lab此值已被定义。由TBDATA或

10、TBPT定义数据点个数。 EOSOPT指定使用的状态模型方程，仅适用于Lab= EOS时的显式动力分析,南昌大学硕士学位论文答辩,3）定义H温度值： TBTEMP,TEMP,KMOD TEMP温度值，当KMOD为空时缺省为0 KMOD如为空，则TEMP定义一个新的温度；如果是整数1-NTEMP，则修改既有的温度值TEMP同时激活该温度值；如果KMOD=CRIT且TEMP为空，则下一命令TBDATA的数据为破坏准则；如果KMOD=STRAIN且TEMP为空，则为MKIN材料性质的应变数据,4）定义TB数据表中的数据： TBDATA,STLOC,C1,C2,C3,C4,C5,C6 STLOC输入数

11、值在数据表中的起始位置，缺省为最后填充值+1. C1C6从STLOC开始赋给6个位置的数据值,南昌大学硕士学位论文答辩,MP、 TB、TBTEMP和TBDATA使用示例： mp,ex,1,3.55e4 !混凝土弹性模量,单位N/mm2,注意重力密度9800N/t mp,prxy,1,0.2 !定义混凝土泊松比 mp,dens,1,2600e-12 !定义混凝土密度t/mm3 !混凝土应力应变关系 fc=24.4 !MPa ft=2.74 !MPa TB,MISO,1,1,12,0 !塑性材料采用多线性等向强化 TBTEMP,0 !定义温度值 tbpt,0.0001,3.55 $ tbpt,0.

12、0002,fc*0.19 $ tbpt,0.0004,fc*0.36 tbpt,0.0006,fc*0.51 $ tbpt,0.0008,fc*0.64 $ tbpt,0.001,fc*0.75 tbpt,0.0012,fc*0.84 $ tbpt,0.0014,fc*0.91 $ tbpt,0.0016,fc*0.96 tbpt,0.0018,fc*0.99 $ tbpt,0.002,fc $ tbpt,0.0033,fc*0.85 TBPLOT,1 !绘制该应力应变关系曲线 TB,CONC,1,1,9 TBDATA,0.4,0.9,ft,-1, !不考虑压碎 tb,biso,2,1,2,

13、!普通钢筋应力应变关系，采用BISO双线性等向强化模型 tbdata,335,6100 !定义普通钢筋屈服强度335MP,切线模量6100MPa,南昌大学硕士学位论文答辩,3.1.4 设置几何模型的单元属性 赋予几何模型单元属性：KATT、LATT、AATT、VATT （1）设置关键点单元属性 KATT,MAT,REAL,TYPE,ESYS MAT,REAL,TYPE,ESYS分别为材料号、实常数号、单元类型号、坐标系编号 设置面、体单元属性相同。 例如：VATT,2,3,1 !将材料号2，实常数3，单元类型1赋予需要划分网格的体。 （2）设置线的单元属性 LATT,MAT,REAL,TYPE

14、,-,KB,KE,SECNUM MAT,REAL,TYPE同KATT中的参数 KB,KE线始端和末端的方位关键点。Ansys在对梁划分网格时，使用方位关键点确定梁截面的方向,南昌大学硕士学位论文答辩,3.2 网格划分控制 3.2.1 单元形状控制及网格类型选择 （1）单元形状控制 MSHAPE,KEY,Dimension KEY划分网格的单元形状参数，其值可取： =0：如果Dimension=2D，用四边形单元划分网格 如果Dimension=3D，用六面体单元划分网格 =1：如果Dimension=2D，用三角形单元划分网格 如果Dimension=3D，用四面体单元划分网格 （2）网格类型

15、选择 MSHKEY,KEY KEY网格类型参数，其值可取： =0（或缺省）：自由网格划分 =1：映射网格划分 =2：如果可能，则采用映射网格划分，否则采用自由网格划分,南昌大学硕士学位论文答辩,ansys支持的单元形状和网格划分类型组合,南昌大学硕士学位论文答辩,根据圣维南原理，模型梁段长度应取0#号块截面高度的2-3倍，本文选择0#号块与两侧1#号块建立模型，全长15.6m，是梁高（5.6m）的2.78倍。如右图所示,顶板、底板、腹板采用扫略网格划分，横隔板采用映射网格划分，单元尺寸控制为0.3m。预应力筋单元尺寸控制为0.2m。如右图所示,南昌大学硕士学位论文答辩,预应力模拟采用实体力筋法

16、，预应力的施加采用降温法，考虑沿程预应力损失，预应力筋单元与混凝土单元通过约束方程连接在一起,南昌大学硕士学位论文答辩,南昌大学硕士学位论文答辩,支座位置约束条件：悬臂施工阶段墩梁通过普通钢筋临时固结，建模时将横隔板对应的底板最下层节点固结住,1#号块外截面约束条件：先用桥梁博士对全桥进行整体分析计算，得出各施工阶段在1#号块外截面产生的弯矩、轴力和剪力。然后用mass21单元在截面形心位置处建立节点，使用CERIG命令将该节点与周围截面节点形成刚域，将截面弯矩、轴力和剪力直接施加到形心节点上,南昌大学硕士学位论文答辩,荷载工况如下表所示,南昌大学硕士学位论文答辩,3.2 正常施工阶段0#号块

17、空间弹性应力分布 3.2.1 主拉应力分布,2#张拉完,6#张拉完,11#张拉完,边跨合龙张拉完,除横隔板上部，基本受压；截面突变位置以及翼板根部出现主拉应力,中跨合龙张拉完,南昌大学硕士学位论文答辩,南昌大学硕士学位论文答辩,2#张拉完,6#张拉完,11#张拉完,边跨合龙张拉完,中跨合龙张拉完,3.2.2 主压应力分布,主压应力随悬臂长度增大，11#张拉完最大，22.5MPa标准抗压强度，位于顶板内侧倒角位置,纵向正应力与主压应力分布基本一致,南昌大学硕士学位论文答辩,3.2.3 横隔板应力分布 悬臂施工阶段横隔板上应力发展趋势一致，顶部所受主拉应力最大，然后往下递减，下缘受到较小的压应力。

18、拉应力随着悬臂长度的增加而增大，11#张拉完时应力分布如下,主拉应力,竖向正应力,横向正应力,主拉应力在顶缘最大，为5.542MPa。竖向正应力顶缘最大，为5.536MPa；大于抗拉极限强度3.15MPa。横向正应力在上缘靠近腹板位置最大，为2.31MPa,3.2.4 纵向应力沿横向分布,支座正中截面顶缘,0#与1#相交截面顶缘,正剪力滞效应,负剪力滞效应,南昌大学硕士学位论文答辩,3.3 挂篮失稳阶段0#号块空间弹性应力分布 3.3.1 主拉应力分布,挂篮失稳发生在悬臂施工各个阶段时，主拉应力分布趋势基本相同。在截面突变位置出现主拉应力，失稳一侧主拉应力大于正常一侧。最大悬臂阶段发生失稳最为

19、危险，左侧最大主拉应力为6.62MPa，位于过人横洞下缘倒角处，远大于标准抗拉强度（2.74MPa,2#浇筑时失稳,6#浇筑时失稳,11#浇筑时失稳,南昌大学硕士学位论文答辩,3.3.2 主压应力分布,2#浇筑时失稳,6#浇筑时失稳,11#浇筑时失稳,挂篮失稳发生在悬臂施工各个阶段时，主压应力分布趋势基本相同。失稳一侧下缘主压应力小于正常一侧，但是上缘主压应力大于正常一侧。顶板内侧靠近横隔板倒角处主压应力最大 ，最大悬臂阶段失稳时为21.46MPa，小于标准抗压强度。左侧挂篮失稳与正常施工阶段相比，对0#号块主压应力影响相差不大,3.3.3 挂篮失稳与正常施工阶段结果比对,南昌大学硕士学位论文

20、答辩,Part 1,4. 0#号块空间弹塑性分析,单轴状态混凝土应力应变曲线,4.1 材料参数,4.1.1 混凝土材料,上升段,下降段,不考虑压碎。最大悬臂阶段极限主拉2.74MPa，运营阶段极限主拉横隔板2.74MPa，其他部位1.1MPa,南昌大学硕士学位论文答辩,4.1.2 钢筋材料,模型中绝大多数钢筋直径大于12mm，故设定钢筋弹性模量2.0105MPa，泊松比0.3，屈服强度335MPa，切线模量6100MPa。应力应变关系采用BISO双线性等向强化模型,预应力钢筋材料属性同3.1表中所示。 普通钢筋材料属性： d12mm HRB335热轧螺纹钢筋 d12mm、预应力锚下螺旋钢筋 R

21、235钢筋,南昌大学硕士学位论文答辩,4.2 模型建立,采用solid65单元模拟混凝土，普通钢筋以配筋率的形式弥散于混凝土单元。配筋率如下表所示,4.3 边界约束条件,最大悬臂阶段：将0#号块箱梁横隔板对应的底板最下层节点完全固结住,南昌大学硕士学位论文答辩,运营阶段：边界约束条件如下图所示。边跨0#号块支座位置一侧布置竖向和横向约束、另一侧只布置竖向约束，1、4、5号墩支座位置布置竖向和横向约束，3号墩布置三向固定约束,南昌大学硕士学位论文答辩,4.4 工况荷载,最大悬臂阶段与弹性分析时相同。运营阶段考虑四种工况荷载,南昌大学硕士学位论文答辩,4.5 收敛控制,本论文考虑： 1、应力松弛

22、2、尽量采用六面体单元 3、子步数100 4、每个荷载子步迭代次数50次 5、采用力的收敛、精度0.01 6、关闭混凝土压碎选项 7、非线性求解器 稀疏矩阵直 接法 8、分子步加载时，采用线性递增 荷载,非线性收敛控制很难一蹴而就，需不断试算和借鉴他人经验，它山之石可以攻玉哦,南昌大学硕士学位论文答辩,4.6 结果分析,选取应力点如下,截面突变处具有代表性的位置点,南昌大学硕士学位论文答辩,4.6.1 最大悬臂施工阶段以上各点应力-应变曲线,1#号点主拉,2#号点主拉,3#号点主拉,3#号点主压,4#号点主拉,5#号点主拉,南昌大学硕士学位论文答辩,6#号点主拉,7#号点主拉,8#号点主拉,9

23、#号点主压,10#号点主拉,11#号点主拉,南昌大学硕士学位论文答辩,横隔板位置应力分布与裂缝分布,29子步,30子步,41子步,52子步,南昌大学硕士学位论文答辩,4.6.2 运营阶段结果分析,按实际情况模拟的支座约束与固结约束相比，对0#号块支座位置处的纵应力影响较大，固结约束时纵向拉应力为1.7MPa，实际约束时无拉应力。此外，对竖向和横向应力影响较小。可见，在不考虑支座约束位置应力时，可用固结约束近似代替,不同荷载组合下，0#号块应力分布略有不同。结果表明，在对不同应力分析时，宜选用不同荷载组合,主拉应力短期效应最大弯矩组合 主压应力 标准最大剪力组合 纵向拉应力 短期效应最大剪力组合

24、 纵向压应力 标准最大剪力组合 竖向拉应力 标准最大剪力组合 竖向压应力 短期效应最大弯矩组合 横向拉应力 短期效应最大弯矩组合 横向压应力 标准组合,南昌大学硕士学位论文答辩,运营阶段应力点选取与最大悬臂阶段位置一致。各应点拉压状态与最大悬臂时相似，裂缝发展状态也与悬臂状态相似，裂缝宽度计算如下,52子步,横向裂缝宽度,竖向裂缝宽度,本工程实例属于I类环境，横隔板横向最大裂缝宽度已经超出了规范许可要求，竖向裂缝最大宽度满足规范要求,南昌大学硕士学位论文答辩,4.7 平面弹性、空间弹性、空间弹塑性计算结果对比,对0#号块纵向正应力而言，与空间弹性计算结果相比，在施工阶段弹性分析结果偏小，使得在

25、结构截面设计、配筋等方面偏于不安全；在运营使用阶段，平面弹性模型对各种因素影响考虑较为充分，虽然上缘计算结果偏安全，但是截面下缘仍旧存在平面分析结果偏小的问题。对0#号块横向应力而言，平面分析未能予以考虑，存在较大缺陷。 弹性计算结果与考虑钢筋效应后的弹塑性计算结果比较可知，配置普通钢筋可以较明显地改善截面突变位置的应力大小，但总体来看，对于压应力的改善效果不是非常显著。对比运营状态横隔板主拉应力在配筋前后的应力状态可知，在配筋率足够的情况下，普通钢筋可以非常有效的改善拉应力状态；配筋率不足时，裂缝引起的应力重分布会对周围应力状态产生影响，弹性应力分析具有一定的局限性,南昌大学硕士学位论文答辩

26、,Part 1,5. 纵筋张拉锚固端空间应力分析,5.1 锚固构件参数,选用OVM系列夹片锚具，腹板15-24，顶板15-15,5.2 纵筋张拉锚固区理论计算,腹板位置：（1）局部承压区混凝土的抗裂验算,局部承压区满足尺寸要求,2）局部承压区承载力计算 只配置螺旋钢筋时,局部承压区承载能力满足要求,南昌大学硕士学位论文答辩,5.3 锚固端有限计算模型,圆形预孔道,喇叭管,弹塑性分析锚下模型,Solid65模拟混凝土，锚具选 用钢材R235属性，采用自由网 格划分，需要局部细化网格。 锚具与混凝土通过约束方程 连接,南昌大学硕士学位论文答辩,5.4 预孔道有无对锚下应力分布的影响,在距锚垫板约9

27、00mm，即一倍腹板厚度范围以外，混凝土应力已均匀分布，不受局部承压影响；表明局部承压影响范围约等于一倍腹板厚度范围。有预孔道时，预孔道边缘纵向、竖向压应力，横向拉应力大于无预孔道时对应位置的应力值，且差值较大，表明预应力筋张拉灌浆前，预孔道对截面有较大的削弱作用,南昌大学硕士学位论文答辩,5.5 锚垫板下设置喇叭管与否对锚下应力分布的影响,锚垫板下设置喇叭管时，在喇叭管范围内，混凝土应力要比无喇叭管时小，由此可见，设置喇叭管能有效改善锚下混凝土应力分布。设置喇叭管时，锚下混凝土纵向和竖向应力出现锯齿形折线位置大致在喇叭管位置，表明该位置纵向、竖向应力分布不是常规的纵向变化，而是横向变化,南昌

28、大学硕士学位论文答辩,5.6 不同规格型号锚具对锚下应力分布的影响,锚下局部承压应力影响范围与锚具规格、预孔道直径、施加的荷载大小无关,南昌大学硕士学位论文答辩,5.7 顶板预应力束张拉对周围预孔道应力分布影响,1,2,3,4,5,张拉孔横向拉应力对周围孔道的影响较小，叠加效应不明显。竖向应力叠加效应较明显。故截面预孔道较多时，相邻孔预应力束不宜同时张拉,南昌大学硕士学位论文答辩,5.8 实际螺旋筋配筋率下锚固端弹塑性计算结果,由于可能出现压碎现象，故打开solid65压碎选项,52子步时正应力分布,纵向正应力,横向正应力,竖向正应力,纵向为压应力，最大为30MPa左右，大于抗压强度。在含筋体末端出现横向拉应力，0.7MPa左右。竖向受压，锚垫板上缘压应力大于下缘，最大为27MPa左右,南昌大学硕士学位论文答辩,52子步时，选取最大主压应力点，应力应变关系如下图所示，将它与单轴受压状态应力应变曲线相比,最大主压应力37.5MPa，ansys打开压碎设置的情况下，按单轴受压本构关系的话理应发生压碎破坏，