ANSYS整体式钢筋混凝土模型算例

1、ANSYSS体式钢筋混凝土模型算例 在土木工程结构中，最为常用的一种结构形式就是钢筋混凝土结构，在各类房屋、 水坝、桥梁、道路中都有广泛应用。ANSYS软件提供了专门的钢筋混凝土单元和材料模型。本算例将介绍ANSYSC件分析混凝土一些基本应用。(1) 首先建立有限元模型，这里我们选用 ANSY歌件自带的专门针对混凝土的 单元类型 Solid 65 , 进入 ANSYS 主菜单 Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete ，选择添加 Solid 65 号混凝土单元。(2) 点击 Element types 窗口中的 Options，设定 S

2、tress relax after cracking 为Include ,即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65 单元中的配筋情况。进入 ANSYS主菜单 Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型 1 与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。(4) 再添加第二个实参数，输入 X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为 5%(5) 下面输入混凝土的材料属性。混凝

3、土的材料属性比较复杂，其力学属性部 分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效 应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。下面分别介绍如下。(6) 首先进入 ANSY S 主菜单 Preprocessor-> Material Props-> MaterialModels,在 Define Material Model Behavior 窗口中选择 Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选

4、择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。在Define MaterialModel Behavior 窗口 中选择 Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear ,输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。(8) 最后输入混凝土的破坏准则,在 Define Material Model Behavior 窗口中选择 Structu

5、ral-> Nonlinear-> Inelastic-> Non-metal Plasticity-> Concrete，设定混凝土的裂缝张开剪力传递系数为0.5 ,裂缝闭合剪力传递系数为0.9，混凝土的单轴抗拉强度为3e6,单轴抗压强度为30e6,开裂软化参数为1,其他空着使用默认值。其参数具体意义参见混凝土结构有限元分析一书。(9) 接着还要定义钢筋材料性质。在 Define Material Model Behavior窗口菜单中选择 Material-> New,加入新的材料。添加以下属性： Structural->Linear->Elast

6、ic->Isotropic，设定材料的弹性模量为 2X 109,泊松比为 0.27 。进入 Structural- Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent->Isotropic Hardening Plasticity->Mises Plasticity->Bilinear,设定屈服强度为310e6,屈服后的切线模量为2e9。(10) 下面开始建立几何模型，进入ANSY费菜单Preprocessor-> Modeling->Create-> Keypoints-> In Active CS，输入

7、以下两个关键点坐标 (0,0,0)和(3,0,0)(11) 进入 ANSYE菜单 Preprocessor-> Modeling-> Copy-> Keypoints ,选 择刚才建立的两个关键点，延Y轴方向复制0.05，然后再次选择初次建立的关键点， 延Y轴方向复制0.5。(12) 进入 ANSYS主菜单 Preprocessor-> Modeling-> Create-> Area->Arbitrary-> Through KPs ，选择关键点 1,2,4,3 ,建立第一个面，选择关键点 3,4,6,5 ,建立第二个面(13) 进入 ANSY

8、S主菜单 Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-> By XYZOffset ,选择刚才建立的两个面，设定拉伸的高度为Z方向，距离为0.2 ,拉伸。完成几何形体建模工作。得到的几何体。(14) 完成几何建模后下面要开始进行网格划分。首先指定几何体的物理属性。进入 ANSYE菜单 Preprocessor-> Meshing-> MeshAttributes-> Picked Volumes, 选择Volume 1(相对小一些的那个)，设定物理属性如下，注意此时的实参数为配筋 混凝土。(15) 同样选择 Volume 2

9、,设定其物理属性如图，注意此时的实参数为素混凝 土。(16) 下面进入 ANSY费菜单 Preprocessor-> Meshing-> Size Cntrls-> ManualSize-> Global-> Size，设定单元最大尺寸为 0.2。(17) 进入 ANSY弘菜单 Preprocessor-> Meshing-> Volumes-> Mapped-> 4 to 6 sided ,选择所有的实体，完成网格划分。(18) 完成建模后就可以进入求解步骤。进入ANSYS主菜单 Solution->Analysis Type-&g

10、t; New Analysis，设定分析类型为Static。进入 ANSYS主菜单Solution-> Analysis Type-> Sol'n Controls ，在 Solution Controls 的 Basic 页面设置预期分析子步数为20步，最小步数为20步，每步都输出结果。(19) 在 Solution Controls 窗口的 Nonlinear 页面设置 Always iteration to25 equilibrium iterations，避免不必要的荷载步长折减。点击 Set convergencecriteria，设定收敛标准为力的二范数，误差容

11、限为0.02 o(20) 进入 ANSYE菜单 Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes，选择 Node 3、35、16、48,添加 Y 方向位移约束。选 择Node 35,约束所有自由度，选择 Node 48,约束Z方向自由度。(21) 下面输入荷载。进入 ANSY就菜单 Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes ，选择 Node 75

12、 和 123,添加 Y 方向位移 荷载，大小为-0.01 o(22) 进入ANSY弘菜单Solution-> Solve-> Current LS,求解当前荷载工况。中间会出现两次警告信息，点击继续执行(Proceed)(23) 进入ANSY弘菜单TimeHist Postproc时程后处理器，添加时程变量节点 75的Y方向位移和Y方向反力。选择用节点 75的Y方向位移为横坐标，绘制 Y方 向反力。得到荷载位移曲线如图。(24) 选择 ANSYS®部菜单 PlotCtrls->Device Options ，在 Device Options 窗口 中设置 Vecto

13、r model (wireframe)为 On。进入 ANSYS主菜单 General Postproc->Plot Results->Concrete Plot-> Crack Crush ,得到结构最终混凝土裂 缝分布说明：本信息在土木工程结构中，最为常用的一种结构形式就是钢筋混凝土结构，在各类房 屋、水坝、桥梁、道路中都有广泛应用。ANSYS<件提供了专门的钢筋混凝土单元和材料模型。本算例将介绍 ANSY歆件分析混凝土一些基本应用。(1)首先建立有限元模型，这里我们选用 ANSY歌件自带的专门针对混凝土的 单元类型 Solid 65 , 进入 ANSYS 主菜单

14、Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete ，选择添加 Solid 65 号混凝土单元。进入 ANSYE菜单 Preprocessor-> Meshing-> MeshAttributes-> Picked Volumes,(2) 点击 Element types 窗口中的 Options，设定 Stress relax after cracking 为Include ,即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65 单元中的配筋情况。进入 A

15、NSYS主菜单 Preprocessor-Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型 1 与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。(4) 再添加第二个实参数，输入 X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为 5%(5) 下面输入混凝土的材料属性。混凝土的材料属性比较复杂，其力学属性部 分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效 应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。下面分别介绍如下。(6) 首先进入 ANSY S 主菜单 Preproces

16、sor-Material Props-> MaterialModels,在 Define Material Model Behavior 窗口中选择 Structural- Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。在Define MaterialModel Behavior 窗口 中选择 Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Rat

17、e Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear ,输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。(8) 最后输入混凝土的破坏准则,在 Define Material Model Behavior 窗口中选择 Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Non-metal Plasticity-> Concrete，设定混凝土的裂缝张开剪力传递系数为0.5 ,裂缝闭合剪力传递系数为0.9，混凝土的单轴抗拉强度为 3e6,

18、单轴抗压强度为30e6,开裂软化参数为1,其 他空着使用默认值。其参数具体意义参见混凝土结构有限元分析一书。(9) 接着还要定义钢筋材料性质。在 Define Material Model Behavior窗口菜单中选择 Material-> New,加入新的材料。添加以下属性： Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定材料的弹性模量为 2X 109,泊松比为 0.27 。进入 Structural- Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent->Isotropic Hard

19、ening Plasticity->Mises Plasticity->Bilinear,设定屈服强度为310e6,屈服后的切线模量为2e9。(10) 下面开始建立几何模型，进入ANSY费菜单Preprocessor-> Modeling->Create-> Keypoints-> In Active CS，输入以下两个关键点坐标 (0,0,0)和(3,0,0)(11) 进入 ANSYE菜单 Preprocessor-> Modeling-> Copy-> Keypoints ,选 择刚才建立的两个关键点，延Y轴方向复制0.05，然后再次选

20、择初次建立的关键点， 延Y轴方向复制0.5。(12) 进入 ANSYS主菜单 Preprocessor-> Modeling-> Create-> Area-> Arbitrary-> Through KPs ，选择关键点 1,2,4,3 ,建立第一个面，选择关键点 3,4,6,5 ,建立第二个面(13) 进入 ANSYS主菜单 Preprocessor-> Modeling-> Operate-> Extrude->Areas-> By XYZOffset ,选择刚才建立的两个面，设定拉伸的高度为Z方向，距离为0.2 ,拉伸。完成几

21、何形体建模工作。得到的几何体。(14) 完成几何建模后下面要开始进行网格划分。首先指定几何体的物理属性。选择Volume 1(相对小一些的那个)，设定物理属性如下，注意此时的实参数为配筋 混凝土。(15) 同样选择 Volume 2 ,设定其物理属性如图，注意此时的实参数为素混凝 土。(16) 下面进入 ANSY费菜单 Preprocessor-> Meshing-> Size Cntrls-> ManualSize-> Global-Size，设定单元最大尺寸为 0.2。(17) 进入 ANSY弘菜单 Preprocessor-> Meshing-> Vo

22、lumes-> Mapped-> 4 to 6 sided ,选择所有的实体，完成网格划分。(18) 完成建模后就可以进入求解步骤。进入ANSYS主菜单 Solution->Analysis Type-> New Analysis，设定分析类型为Static。进入 ANSYS主菜单Solution-> Analysis Type-> Sol'n Controls ，在 Solution Controls 的 Basic 页面设置预期分析子步数为 20步，最小步数为20步，每步都输出结果。(19) 在 Solution Controls 窗口的 Nonlinear 页面设置 Always iteration to25 equilibrium iterations，避免不必要的荷载步长折减。点击 Set convergenc