圖1  鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

       本案例使用ABAQUS對一根鋼筋混凝土受拉構(gòu)件進(jìn)行裂縫估算分析，根據(jù)鋼筋應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算等效裂縫寬度，并采用Python腳本在ODB結(jié)果文件中創(chuàng)建裂縫場變量，實(shí)現(xiàn)在ABAQUS中使用一維單元進(jìn)行快速分析，并在后處理模塊 顯示等效裂縫寬度的目標(biāo)。

案例涉及的相關(guān)技術(shù)：

    ①ABAQUS梁單元Rebar積分點(diǎn)插入；

    ②利用Python腳本提取ABAQUS場變量數(shù)據(jù)；

    ③利用Python腳本創(chuàng)建ABAQUS場變量數(shù)據(jù)。

計(jì)算報(bào)告編寫采用操作引導(dǎo)式，希望能為讀者使用ABAUQS場變量創(chuàng)建提供有益參考。操作分析要點(diǎn)為：

    ①ABAQUSABAQUS梁單元Rebar積分點(diǎn)插入；

    ②ABAQUS場變量輸出Python腳本getSubset()函數(shù)應(yīng)用；

   ③ABAQUS場變量編輯Python腳本addData()()函數(shù)應(yīng)用。

二、計(jì)算任務(wù)

1.模型裝配及接觸連接

計(jì)算模型取自《混凝土結(jié)構(gòu)：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》（第六版）習(xí)題8-3。

 

      計(jì)算模型為鋼筋混凝土屋架下弦按軸心受拉構(gòu)件，見圖2。模型只包含1個(gè)part。截面寬200mm，截面高160mm。因?yàn)榘咐Ｐ洼^為簡單，混凝土梁采用B21單元模擬，鋼筋通過在與混凝土單元共節(jié)點(diǎn)建立鋼筋箱型截面單元實(shí)現(xiàn)。混凝土材料為C40，鋼筋為HRB400，為實(shí)現(xiàn)材料單軸滯回?fù)p傷模擬，混凝土受壓骨架線上升段采用Hognested曲線，下降段為直線；鋼筋均采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）附錄C中鋼筋本構(gòu)關(guān)系，材料本構(gòu)示意圖見圖3，材料參數(shù)見表1。

 

圖2 分析模型

 

       

a 混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線       

   

 b 鋼筋單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 材料本構(gòu)

 

表1 材料參數(shù)

2.分析步設(shè)置  

軸向拉伸分析采用一個(gè)靜力分析步完成，見圖4。 

本例的最終目的是通過鋼筋單元應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出等效裂縫寬度，因此要在輸出要在場輸出中設(shè)置應(yīng)力輸出結(jié)果,見圖5。

圖4 分析步設(shè)置             

圖5 輸出節(jié)點(diǎn)集示意

 

3.邊界設(shè)置

1) 底部節(jié)點(diǎn)為全自由度固定。

2) 頂部節(jié)點(diǎn)施加114kN拉力。

 

圖6 邊界條件設(shè)置及荷載施加       

4.創(chuàng)建并提交分析計(jì)算任務(wù)

此步與常規(guī)相同，不在贅述。

5.ODB后處理

本例的目標(biāo)是通過鋼筋單元應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算出等效裂縫寬度，因此要在輸出要在場輸出中設(shè)置應(yīng)力輸出結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算公式：

因此需要對有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，基本分成三步：
①提取鋼筋單元S11分量；

②創(chuàng)建新的場輸出變量，命名為裂縫寬度（Crack width），并添加描述為：ε*lm

③計(jì)算出等效裂縫并將結(jié)果寫入新建的常變量。

為實(shí)現(xiàn)上述步驟需要使用getSubset()、frame.FieldOutput()、addData()三個(gè)Python腳本函數(shù)。本例編寫了創(chuàng)建并計(jì)算裂縫寬度的Python腳本如下：

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import odbAccess

from abaqusConstants import *

 

myOdb = odbAccess.openOdb(path=r"D:\temp\Tensile-beam.odb", readOnly=False)

ins = myOdb.rootAssembly.instances["TENSILE-BEAM"]

elements = ins.elements

for frame in myOdb.steps["Axial"].frames:

    test = frame.FieldOutput(name="Crack width", description="ε*lm", type=SCALAR)

    S_data = frame.fieldOutputs["S"]

    for eid in elements:

        S11_data = S_data.getSubset(region=eid).values[0].data[0]

        test.addData(position=CENTROID, instance=ins, labels=[eid.label, ], data=((S11_data /200000*222.14, ),))

---

       裂縫寬度場變量創(chuàng)建完成后即可在后處理中直接查看等效裂縫寬度，及方便快捷，還能充分利用ABAQUS可視化顯示平臺(tái)的渲染美感，同時(shí)計(jì)算結(jié)果與參照例題完全吻合，見7。

 

圖7  在后處理模塊顯示新創(chuàng)建裂縫寬度場變量

 

三、結(jié)論

       作為工程分析人員，有限元難以滿足全部的分析需求。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算的快捷高效，模型中大量采用梁單元，計(jì)算裂縫寬度需要平均裂縫間隔和縱向受拉鋼筋應(yīng)力狀態(tài)，但一維單元只能給出應(yīng)力狀態(tài)。采用分析軟件自帶的后處理工，根據(jù)規(guī)范建議的簡化計(jì)算公式，可以快速的進(jìn)行計(jì)算。避免了為估算裂縫寬度而建立機(jī)器耗時(shí)的精細(xì)化模型，這也許應(yīng)該有限元廣泛應(yīng)用方式之一。