PQ-fibre使用手册

1、PQ-Fiber使用手册 V2.0PQ-Fiber使用手册一、概述PQ-Fiber是清华大学土木工程系结构工程研究所潘鹏副教授和曲哲博士基于大型通用有限元程序ABAQUS开发的一组材料单轴滞回本构模型的集合。主要用于在钢筋混凝土结构、钢结构等的弹塑性时程分析中定义杆系结构的材料本构，同时可用于任何需要定义材料单轴滞回本构模型的情况。作者以FORTRAN编译文件.obj的形式在网上免费发布PQ-Fiber的最新版本。为适用于不同的系统平台和需求，PQ-Fiber发布如下版本：PQ-Fiber_Std20_32：适用于32位系统平台和ABAQUS/StandardPQ-Fiber_Std20_64

2、：适用于64位系统平台和ABAQUS/Standard作者提供上述版本以供广大科研与工程设计人员使用，发布的版本没有功能限制，请使用者尊重知识产权。PQFiber版本信息：V2.0推荐平台：ABAQUS 6.9.1，Visual Studio 2005，Intel Fortran 9.1包含的材料模型（详细介绍见第三节）：UConcrete01，UConcrete02，Uconcrete03, USteel01，USteel02，USteel03使用过程中如有问题，请与作者联系：潘鹏（Email: panpeng）通信地址：北京清华大学土木工程系，100084二、在ABAQUS中使用1. 在A

3、BAQUS中使用本模型（1）定义材料在Properties模块中定义User Material，如图1所示。材料名的前几个字母必须与第三节中定义的某一个材料名相一致。需要分别选择General选项卡中的User Material和Depvar两个选项。在User Material选项中定义该材料所需要的所有材料属性，如图2所示。在Depvar选项中定义该材料所需的状态变量的个数，如图3所示。也可以在.inp文件中直接添加用户自定义材料，下面给出了一个例子。*Material, name=UConcrete01*Depvar 5,*User Material, constants=430., 0

4、.002, 10., 0.005材料名，短横线之前的字母必须与第三节中的定义相一致。状态变量选项用户自定义材料选项图1 定义用户自定义材料材料参数props(1)材料参数props(2)材料参数props(3)材料参数props(4)不同材料中各参数的含义详见第三节。图2 定义材料属性状态变量选项状态变量的个数图3 定义状态变量的个数注意：如果使用ABAQUS中的铁木辛科梁单元（如B21，B22，B31，B32等），除了上述定义外，还需要在.inp文件为梁单元截面额外定义横向剪切刚度，定义方法详见ABAQUS keyword reference manual中的*Transverse Shea

5、r Stiffness关键字。可以直接在.inp文件中添加，也可以利用ABAQUS/CAE提供的Keyword editor，如图4所示。剪切刚度可以是一个大数，它对计算结果的影响不大。在V2.0以后的版本中，考虑到对显式分析VMAT的支持，要求用户对所有单元的Depvar数量都定义为10。其中SDV(9)和SDV(10)仅在显式分析中分别为应变和弹模。为截面赋予剪切刚度图4 在Keyword editor中为截面定义剪切刚度（2）调用用户子程序在Job模块中，在Edit Job对话框的General选顶卡中选择本文提供的.obj文件作为User subroutine file，如图5所示。由

6、于ABAQUS的一个分析模型只能接受一个用户子程序文件，如果使用了本文编译后的材料模型文件，将无法使用其它用户子程序。用户如确有需要，可与本模型作者联系。选择本模型提供的.obj文件图5 在Job中调用用户子程序2. 在ABAQUS/Standard中定义钢筋混凝土梁单元可以使用*rebar关键字在梁单元中定义钢筋，使用方法详见ABAQUS keyword reference manual。下面给出了定义钢筋混凝土梁单元一个例子，其中分别用UConcrete02和USteel02来定义梁单元中的混凝土和钢筋的材料本构，并在梁截面的四角分别定义了四根钢筋。*Beam Section, elset

7、=Pier, material=UCONCRETE02, section=RECT300., 300.0.,0.,-1.*Transverse shear stiffness 1.0e16, 1.0e16*rebar, element=beam, material=USTEEL02-235, name=rebar1Pier, 201, 107, 107*rebar, element=beam, material=USTEEL02-235, name=rebar2Pier,201,-107,107*rebar, element=beam, material=USTEEL02-235, name=

8、rebar3Pier,201,107,-107*rebar, element=beam, material=USTEEL02-235, name=rebar4Pier,201,-107,-107在同一模型中可以使用不同自定义钢筋与混凝土模型，也可以采用同一种自定义钢筋或混凝土模型定义不同等级的钢筋或者混凝土。如在图6所示的Material Manager中，用USteel02模型定义了屈服强度分别为235MPa和335MPa的两种钢筋，用UConcrete02模型定义了轴压强度分别为30MPa和60MPa的两种混凝土。只要材料名的前几个字母与第三节中定义的材料名相同即可完成调用，材料名的后半部

9、分可以随意定义。图6 在一个模型中使用不同的自定义材料3. 结果输出自定义材料结果的输入通过状态变量实现。如果想得到弹性应变以外的输出，用户需要在Step模块中定义对状态变量（SDV）的输出，如图7所示，或者在.inp文件中直接添加对SDV的输出，如下所示。另外，ABAQUS目前不支持梁单元中*rebar定义的钢筋的任何输出。各材料模型中状态变量的物理意义详见第三节。*Element Output, directions=YESE, S, SDV, SE, SF选择输出SDV图7 输出状态变量SDV三、材料模型PQ-Fibe提供如下材料滞回模型。调用名USteel01描述弹塑性随动硬化单轴本构

10、模型。材料参数props(1)弹性模量props(2)屈服强度props(3)硬化刚度系数，等于第二阶段刚度与弹性模量之比。状态变量SDV(1)塑性应变SDV(2)Back stressSDV(3)截面屈服标志（0：未屈服；1：屈服）图例往复加载时的单轴应力应变关系调用名USteel02描述再加载刚度按Clough本构退化的随动硬化单轴本构模型材料参数props(1)弹性模量props(2)屈服强度props(3)硬化刚度系数，等于第二阶段刚度与弹性模量之比。状态变量SDV(1)历史最大拉应变SDV(2)对应于历史最大拉应变的应力SDV(3)历史最大压应变SDV(4)对应于历史最大压应变的应力

11、SDV(5)屈服记号（0：未屈服；1：屈服）图例往复加载时的单轴应力应变关系调用名USteel03描述拉压不等强的弹塑性随动硬化单轴本构模型材料参数props(1)弹性模量props(2)受拉时的屈服强度props(3)受压时的屈服强度props(4)硬化刚度系数，等于第二阶段刚度与弹性模量之比。状态变量SDV(1)塑性应变SDV(2)Back stressSDV(3)截面屈服标志（0：未屈服；-1：压屈服；1：拉屈服）图例往复加载时的单轴应力应变关系调用名UConcrete01描述忽略抗拉强度的混凝土模型。(1) 拉应力始终为零；(1) 受压骨架线上升段采用Hognested曲线，下降段为直

12、线；(2) 受卸载刚度随历史最大压应变的增大而减小；(3) 受拉后反向加载时，直至达到上次受压卸载的残余应变时再开始反向承载。材料参数props(1)轴心受压强度props(2)峰值压应变，即达到轴心受压强度时的应变props(3)极限受压强度props(4)极限压应变props(5)截面钢筋屈服的临界应变，定义为混凝土受拉边缘的应变。状态变量SDV(1)初始化变量，无实际意义SDV(2)历史最大压应变SDV(3)受压残余应变，即卸载至应力为零时的压应变SDV(4)卸载/再加载刚度SDV(5)截面屈服标志（0：未屈服；-1：混凝压碎；1：钢筋拉屈）图例往复加载时的单轴应力应变关系图例中fu =

13、 props(3)，eu = props(4)调用名UConcrete02描述考虑抗拉强度的混凝土模型。(1) 受拉骨架线由线性上升段和线性下降段组合；(2) 受拉卸载时指向原点；(3) 受压骨架线上升段采用Hognested曲线，下降段为直线；(4) 受卸载刚度随历史最大压应变的增大而减小，且不小于达到极限压应变时的卸载刚度。材料参数props(1)轴心受压强度props(2)峰值压应变，即达到轴心受压强度时的应变props(3)极限受压强度props(4)极限压应变props(5)达到极限压应变时的卸载刚度与初始弹性模量之比, 推荐采用0.18props(6)轴心受拉强度props(7)受

14、拉软化模量，即受拉骨架线下降段的刚度，输入其绝对值即可。props(8)截面钢筋屈服的临界应变，定义为混凝土受拉边缘的应变。状态变量SDV(1)初始化变量，无实际意义SDV(2)历史最大压应变SDV(3)受压残余应变，即卸载至应力为零时的压应变SDV(4)卸载/再加载刚度SDV(5)截面屈服标志（0：未屈服；-1：混凝压碎；1：钢筋拉屈）图例往复加载时的单轴应力应变关系调用名UConcrete03描述根据混凝土规范的混凝土骨架曲线，考虑抗拉强度的混凝土模型。(1) 受拉骨架线为全曲线；(2) 受拉卸载时指向原点；(3) 受压骨架线为全曲线；(4) 受卸载刚度随历史最大压应变的增大而减小，且不小

15、于达到极限压应变时的卸载刚度。材料参数Props(1)混凝土弹性模量props(2)轴心受压强度props(3)峰值压应变，即达到轴心受压强度时的应变props(4)极限受压强度props(5)极限压应变props(6)混凝土受压曲线参数props(7)轴心受拉强度props(8)峰值受拉应变props(9)混凝土受拉曲线参数props(10)截面钢筋屈服的临界应变，定义为混凝土受拉边缘的应变。状态变量SDV(1)初始化变量，无实际意义SDV(2)历史最大压应变SDV(3)受压残余应变，即卸载至应力为零时的压应变SDV(4)卸载/再加载刚度SDV(5)截面屈服标志（0：未屈服；-1：混凝压碎；

16、1：钢筋拉屈）图例往复加载时的单轴应力应变关系附件：采用Input文件的简单算例：一个水平放置的1m长的杆件，承受往复位移荷载，使用者可以尝试变更材料，考察各种材料的滞回行为。运行程序方式如下：Abaqus interactive job=SimplebeamImp.inp user= PQ-Fiber_Std_32输入文件SimpleBeamImp.inp内容如下:*Heading Example for PQ-Fiber*Preprint, echo=NO, model=NO, history=NO, contact=NO*Node 1, 0., 0., 0. 6, 1.0, 0., 0.

17、*Element, type=B31 1, 1, 6*Nset, nset=N-All 1, 6*Nset, nset=N-OUT 6*Elset, elset=E-ALL 1*Beam Section, elset=E-ALL, material=UCONCRETE01, section=RECT 0.1, 0.1 0.,-1.,0.*TRANSVERSE SHEAR STIFFNESS 1.0e10,1.0e10,SCF*Amplitude, name=AMP-10., 0., 1., 1., 2., 0., 3., -1.4., 0., 5., 2., 6., 0., 7., -2.8.

18、, 0., 9., 3., 10., 0., 11., -3.12., 0., 13., 4., 14., 0., 15., -4.16.0, 0*Material, name=USTEEL01*Density 7.85e3*Depvar 10,*User Material, constants=3 2.0e11, 200000000.0, 0.05* *Material, name=USTEEL02*Density 7.85e3*Depvar 10,*User Material, constants=3 2.0e11, 200000000.0, 0.05* *Material, name=USTEEL03*Density 7.85e3*Depvar 10,*User Material, constants=4 2.0e11, 200000000.0, 100000000.0, 0.05* *Material, name=UCONCRETE01*Density 2.4e3*Depvar 10