如何在ANSYS中模拟钢筋混凝土的计算模型复习过程

1、精品文档如何在 ANSYS 中模拟钢筋混凝土的计算模型 最近做了点计算分析，结合各论坛关于这方面的讨论，就一些问题探讨如下，不当之处敬请指正。一、关于模型 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种，即分离式、分布式和组合式模型。考虑钢筋和 混凝土之间的粘结和滑移，则采用引入粘结单元的分离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好，不考虑二者 之间的滑移，则三种模型都可以；分离式和分布式模型适用于二维和三维结构分析，后者对杆系结构分析 比较适用。裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型，后者目前尚处研究之中，主 要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分

2、析目的选择使用。随着计算 速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。就 ANSYS 而言，她可以考虑分离式模型 （solid65+link8 ，认为混凝土和钢筋粘结很好，如要考虑粘结和滑 移，则可引入弹簧单元进行模拟，比较困难！ ），也可采用分布式模型 （带筋的 solid65） 。而其裂缝的处理方 式则为分布裂缝模型。二、关于本构关系 混凝土的本构关系可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类，其中研究最多的是非线 性弹性和弹塑性本构关系，其中不乏实用者。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型，或借 用古典强度理论或基于试验结果等，各个破坏准则的表达

3、方式和繁简程度各异，适用范围和计算精度差别 也比较大，给使用带来了一定的困难。就ANSYS而言，其问题比较复杂些。1 ANSYS混凝土的破坏准则与屈服准则是如何定义的？采用 tb,concr,matnum 则定义了 W-W破坏准则（failure criterion），而非屈服准则（yield criterion） 。W-W破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用的，而混凝土的塑性可以另外考虑（当然是在开裂和压碎之前）。理论上破坏准则 （failure criterion）和屈服准则 （yield criterion） 是不同的，例如在高静水压力下会发生相当的塑性变形，表现为屈服，但没有破坏。而工

4、程上又常将二者等同，其原因是工程结构不容许有很 大的塑性变形，且混凝土等材料的屈服点不够明确，但破坏点非常明确。定义tb,concr matnum 后仅仅是定义了混凝土的破坏准则和缺省的本构关系，即V W破坏准则、混凝土开裂和压碎前均为线性的应力应变关系，而开裂和压碎后采用其给出的本构关系。但屈服准则尚可另外定义 （随材料的应力应变关系，如 tb,MKIN, 则定义的屈服准则是 Von Mises, 流动法则、硬化法则也就确定了 ）。2 定义 tb,concr 后可否定义其它的应力应变关系当然是可以的，并且只有在定义 tb,concr 后，有些问题才好解决。例如可以定义 tb,miso, 输入

5、混凝土的 应力应变关系曲线 （多折线实现 ），这样也就将屈服准则、流动法则、硬化法则等确定了。这里可能存在一点疑问， 即ANSY沖的应力应变关系是拉压相等的， 而混凝土材料显然不是这样的。 是的， 因为混凝土受拉段非常短， 认为拉压相同影响很小， 且由于定义的 tb,concr 中确定了开裂强度， 所以尽管 定义的是一条大曲线，但应用于受拉部分的很小。三、具体的系数及公式1 定义 tb,concr 时候的两个系数如何确定？一般的参考书中，其值建议先取为 0.30.5（ 江见鲸） ，原话是“在没有更仔细的数据时，不妨先取 0.30.5 进行计算”，足见此 0.30.5 值的可用程度。根据我的经验

6、和理由，建议此值取大些，即开裂的剪力传 递系数取 0.5, （定要0.2）闭合的剪力传递系数取 1.0 。支持此说法的还有现行铁路桥规的抗剪计算理论， 以及原公路桥规的容许应力法的抗计剪计算。2 定义混凝土的应力应变曲线 单向应力应变曲线很多，常用的可参考国标混凝土结构规范，其中给出的应力应变曲线是二次曲线直线 的下降段，其参数的设置按规范确定即可。当然如有实测的应力应变曲线更好了。四、关于收敛的问题ANSYS昆凝土计算收敛（数值）是比较困难的，主要影响因素是网格密度、子步数、收敛准则等，这里讨论 如下。1 网格密度：网格密度适当能够收敛。不是网格越密越好，当然太稀也不行，这仅仅是就收敛而言的

7、，不 考虑计算费用问题。但是究竟多少合适，没有找到规律，只能靠自己针对情况慢慢试算。2子步数：NSUBST勺设置很重要，设置太大或太小都不能达到正常收敛。这点可以从收敛过程图看出，如 果 F 范数曲线在 F 曲线上面走形的很长，可考虑增大 nsubst 。或者根据经验慢慢调正试算。3 收敛精度：实际上收敛精度的调正并不能彻底解决收敛的问题，但可以放宽收敛条件以加速吧。一般不 超过 5%（缺省是 0.5%） ，且使用力收敛条件即可。4 混凝土压碎的设置：不考虑压碎时，计算相对容易收敛；而考虑压碎则比较难收敛，即便是没有达到压碎应力时。如果是正常使用情况下的计算，建议关掉压碎选项；如果是极限计算，

8、建议使用concr MISO且关闭压碎检查；如果必设压碎检查，则要通过大量的试算（设置不同的网格密度、NSUBS）以达到目的，但也很困难。5 其他选项：如线性搜索、预测等项也可以打开，以加速收敛，但不能根本解决问题。6 计算结果：仅设置 concr ，不管是否设置压碎，其一般 P-F 曲线接近二折线；采用 concr+miso 则 P-F 曲 线与二折线有差别，其曲线形状明显是曲线的。*例题 1! 题目：钢筋混凝土简支梁模拟计算! 方法：分离式； solid65 和 link8! 材料：混凝土采用 concr 和钢筋为弹性材料，但不考虑压碎! 为方便，假定钢筋置于梁底两侧 .!= /confi

9、g,nres,2000/prep7! 定义单元及其材料特性等rd0=20.0 ! 钢筋直径et,1,solid65et,2,link8mp,ex,1,33e3mp,prxy,1,0.20r,1hntra=28hntrl=2.6 tb,concr,1 tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1 mp,ex,2,2.1e5 mp,prxy,2,0.30 r,2,acos(-1)*0.25*rd0*rd0 ! 定义梁体即单元划分 blc4, , ,100,200,3000 /view,1,1,1,1 /ang,1 gplot! 定义网分时边长控制 lsel,s,loc,z,1,2999 lsel

10、,r,loc,y,0 latt,2,2,2 lesize,all,20 !钢筋网格数目4x4lmesh,all lsel,s,loc,z,0 lesize,all,4 ! 截面上的网格数目 vsel,all vatt,1,1,1 mshape,0,3d mshkey,1 vmesh,all allsel,all finish /solu! 施加约束 lsel,s,loc,z,0 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy dl,all,uz lsel,all lsel,s,loc,z,3000 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy lsel,all ksel,s,loc,x,

11、0 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux allsel,all ! 施加荷载 qmz=0.3 asel,s,loc,y,200sfa,all,1,pres,qmz allsel,all nsubst,40 outres,all,all time,qmz*10 neqit,40 solve finish /post1 pldisp,1 etable,zxyl,ls,1 plls,zxyl,zxyl,1 finish /post26 nsol,2,33,u,y prod,3,1,1/100 prod,4,2,-1 xvar,4 plvar,3* 例题 2! 题目：钢筋混凝土简支梁模拟计

12、算! 方法：分离式； solid65 和 link8! 材料：混凝土采用 concr+Miso 和钢筋为弹性材料，但不考虑压碎 ! 增加网格密度! 为方便，假定钢筋置于梁底两侧 .!= /config,nres,2000/prep7! 定义单元及其材料特性等 rd0=20.0 ! 钢筋直径 et,1,solid65 et,2,link8 mp,ex,1,33e3 mp,prxy,1,0.20r,1 hntra=28 hntrl=2.6 tb,concr,1 tbdata,0.7,1.0,hntrl,-1 tb,miso,1,14tbpt,0.0002,hntra*0.19 tbpt,0.000

13、4,hntra*0.36 tbpt,0.0006,hntra*0.51 tbpt,0.0008,hntra*0.64 tbpt,0.0010,hntra*0.75 tbpt,0.0012,hntra*0.84 tbpt,0.0014,hntra*0.91 tbpt,0.0016,hntra*0.96 tbpt,0.0018,hntra*0.99 tbpt,0.0020,hntra*1.00 tbpt,0.0025,hntra*0.95 tbpt,0.0030,hntra*0.90 tbpt,0.0035,hntra*0.85 tbpt,0.0040,hntra*0.80 mp,ex,2,2.1

14、e5 mp,prxy,2,0.30 r,2,acos(-1)*0.25*rd0*rd0 ! 定义梁体即单元划分 blc4, , ,100,200,3000 /view,1,1,1,1 /ang,1 gplot! 定义网分时边长控制 lsel,s,loc,z,1,2999 lsel,r,loc,y,0 latt,2,2,2 lesize,all,20 lmesh,all lsel,s,loc,z,0 lesize,all,4 vsel,all vatt,1,1,1 mshape,0,3d mshkey,1 vmesh,all allsel,all finish /solu! 施加约束 lsel,s,loc,z,0 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy dl,all,uz lsel,all lsel,s,loc,z,3000 lsel,r,loc,y,0 dl,all,uy lsel,all ksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux allsel,all ! 施加荷载 qmz=0.3