李桂花

上海安世亞太公司

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(duì)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?jiǎn)卧幚恚炷聊Ｐ偷刃槿S實(shí)體單元。此時(shí)需要處理的是梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元共節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，仿真中建議建模梁?jiǎn)卧臅r(shí)候根據(jù)實(shí)體幾何線建模，并把實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧M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?jiǎn)卧枰獙?duì)實(shí)體單元進(jìn)行切割。

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(méi)有空隙和沒(méi)有鋼筋的幾何實(shí)體，并對(duì)鋼筋單元進(jìn)行獨(dú)立建模（建模時(shí)無(wú)需共節(jié)點(diǎn)），然后通過(guò)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)。

REINF264單元（3D增強(qiáng)單元）

2020R2版本之前需要通過(guò)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(guò)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(guò)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

在2020R2新版本中，該功能已經(jīng)集成在本地使用界面，無(wú)需通過(guò)命令流實(shí)現(xiàn)。如圖所示，修改梁?jiǎn)卧蛘邭卧膍odel type為reinforcement即可，無(wú)需定義額外的接觸。

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(dòng)力學(xué)分析，無(wú)需通過(guò)幾何處理，直接通過(guò)接觸中的定義，也可以定義加強(qiáng)筋的接觸關(guān)系。

顯示動(dòng)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(guò)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(duì)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?jiǎn)卧煌豢紤]彎曲，扭轉(zhuǎn)和橫向剪切剛度，只考慮軸向剛度。

梁實(shí)體共節(jié)點(diǎn)方法結(jié)果

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)。

輪胎中的尼龍類纖維增強(qiáng)

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(duì)PCB板進(jìn)行仿真，分別是簡(jiǎn)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：

四種PCB板中考慮trace的仿真方法

總結(jié)：2020R2新版本中通過(guò)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(duì)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(huì)用到材料增強(qiáng)的行業(yè)。