作者：李桂花，上海安世亞太結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師

來源：本文為上海安世亞太原創(chuàng)作品

 

---

前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑和外墻等領(lǐng)域。在仿真當(dāng)中如何考慮混凝土結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)筋作用呢？

第一種方法，直觀上使用實(shí)體對混凝土和鋼筋進(jìn)行完全幾何建模。在這種方法中，鋼筋所在的混凝土體有空隙，鋼筋本身填充這些空隙。這種方法鋼筋和混凝土之間的網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)（或接觸關(guān)系）比較好處理，但只適用于小型模型的建模，且劃分網(wǎng)格不方便，計(jì)算量大，工程上較少采用。

 第二種方法，工程上一般將鋼筋模型等效為梁單元處理，混凝土模型等效為三維實(shí)體單元。此時(shí)需要處理的是梁單元和實(shí)體單元共節(jié)點(diǎn)問題，仿真中建議建模梁單元的時(shí)候根據(jù)實(shí)體幾何線建模，并把實(shí)體單元和梁單元組件在scdm中處理成merge或者share的形式。這種方法模型處理比較繁瑣，根據(jù)幾何線建模梁單元，需要對實(shí)體單元進(jìn)行切割。

圖1 SCDM中處理梁和實(shí)體共節(jié)點(diǎn)

第三種方法是將混凝土建模為沒有空隙和沒有鋼筋的幾何實(shí)體，并對鋼筋單元進(jìn)行獨(dú)立建模（建模時(shí)無需共節(jié)點(diǎn)），然后通過REINF26X系列單元完成鋼筋分配。該系列單元主要含REINF263 (2D)、REINF264 (3D)和REINF265 (3D)單元，又稱加強(qiáng)筋（用于梁加強(qiáng)）或者加強(qiáng)膜（用于殼體加強(qiáng)）單元，主要與“基礎(chǔ)”單元結(jié)合使用，并共節(jié)點(diǎn)。

圖2 REINF264單元（3D增強(qiáng)單元）

 

---

2020R2版本前

2020R2版本之前需要通過命令流實(shí)現(xiàn)，主要步驟如下：

1. 生成基礎(chǔ)單元

2. 定義加強(qiáng)單元截面屬性和mesh200單元（臨時(shí)表示增強(qiáng)纖維的網(wǎng)格單元，不參與求解）

sectype,newsectype,reinf,discrete

secdata,secmatid,secarea,mesh

3. 將具有加強(qiáng)筋作用的梁或者殼體，通過emodify，修改為具有加強(qiáng)單元截面屬性的MESH200單元

cmsel, s, rebars, elem ! Select the name selection "rebars"

emodify, all, type, etype_id ! Change the element type to Mesh200

emodify, all, secnum, sectypeid ! Change the section to discrete reinf

4. 選擇基礎(chǔ)單元和MESH200單元，通過EREINF生成增強(qiáng)單元

cmsel, s, rebars, elem

cmsel,a,concrete,elem

ereinf      

5. 刪除mesh200單元

esel,s,ename,,mesh200                       

edel,all

 

---

2020R2新版本

在2020R2新版本中，該功能已經(jīng)集成在本地使用界面，無需通過命令流實(shí)現(xiàn)。如圖所示，修改梁單元或者殼單元的model type為reinforcement即可，無需定義額外的接觸。

圖3 WORKBENCH界面中定義模型類型為增強(qiáng)單元

此外，如果計(jì)算類型是顯式動力學(xué)分析，無需通過幾何處理，直接通過接觸中的定義，也可以定義加強(qiáng)筋的接觸關(guān)系。

圖4 顯示動力學(xué)模塊接觸中定義加強(qiáng)筋接觸關(guān)系

以下是分別通過梁實(shí)體共節(jié)點(diǎn)方法和使用新版本REINF264單元計(jì)算的混凝土加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移對比云圖，整體結(jié)果匹配很好。注意：加強(qiáng)筋單元僅用于占比整體模型很低的情況，另外和梁單元不同，不考慮彎曲，扭轉(zhuǎn)和橫向剪切剛度，只考慮軸向剛度。

圖5 梁實(shí)體共節(jié)點(diǎn)方法結(jié)果

圖6 新版本reinforcement設(shè)置方法（REINF264單元）結(jié)果

Reinforcement應(yīng)用擴(kuò)展：增強(qiáng)單元除了應(yīng)用于鋼筋混凝土中的鋼筋增強(qiáng)，也可用于輪胎中的尼龍類纖維增強(qiáng)（幫助文件：Model the Tire Reinforcing）和復(fù)合材料中的碳纖維增強(qiáng)。除此，還可應(yīng)用PCB板中的trace增強(qiáng)。

圖7 輪胎中的尼龍類纖維增強(qiáng)

圖8 PCB板中的trace增強(qiáng)

目前，Ansys中有四種方法可以考慮PCB中trace模型對PCB板進(jìn)行仿真，分別是簡化模型等效法、trace mapping法、Trace增強(qiáng)方法和精確建模法。其中，Trace增強(qiáng)方法精度介于trace精確建模和trace mapping之間。如圖所示：

圖9 四種PCB板中考慮trace的仿真方法

 

---

總結(jié)

2020R2新版本中通過設(shè)置梁模型或者殼體模型為reinforcement，可以非常方便地考慮工程中加強(qiáng)筋或者加強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)對整體模型的影響，提高仿真精度的同時(shí)也提升了不熟悉APDL用戶的仿真效率。該功能可以應(yīng)用于土木行業(yè)中鋼筋混凝土中的鋼筋增強(qiáng)、汽車行業(yè)中輪胎的尼龍纖維增強(qiáng)、復(fù)合材料中的碳纖維增強(qiáng)、電子行業(yè)中PCB板中的trace增強(qiáng)以及其他可能會用到材料增強(qiáng)的行業(yè)。

本文作者：李桂花，上海安世亞太結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師。寧波大學(xué)工程力學(xué)碩士，8年CAE行業(yè)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。自2012年起在安世亞太上海分公司擔(dān)任結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在機(jī)械、電子等行業(yè)的推廣和應(yīng)用，主要參與的合作項(xiàng)目有重型機(jī)械預(yù)緊分析、醫(yī)療儀器成型分析、電子插拔件分析、剎車片摩擦生熱模擬、ECU電子產(chǎn)品抗振分析等，對Ansys結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。