1問題引出的意義

在土木行業(yè)中，鋼筋混凝土框架仿真模型是一種有限元重要仿真分析模型，基于混凝土框架結(jié)果的模型和分析有助于我們更好了解實(shí)際生產(chǎn)中的混凝土框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)行為，諸如框架的彈塑性變形、框架的損傷甚至框架的破壞失效。我們知道一個(gè)有限元模型的準(zhǔn)確性與模擬材料的本構(gòu)模型選取之間具有不可分割的直接關(guān)系，那么就有必要對(duì)常見描述混凝土材料的本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，這也是本案例實(shí)施的意義所在。

2研究問題描述

基于上述對(duì)混凝土本構(gòu)模型的思考及筆者使用聯(lián)合仿真的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于ABAQUS的非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則混凝土損傷模型與基于ANSYS/LSDYNA軟件的JHC本構(gòu)模型進(jìn)行了理論上的分析，分別通過ABAQUS軟件建立了混凝土框架模型并使用對(duì)應(yīng)損傷模型、使用LSDYNA建立混凝土材料的JHC模型，最后對(duì)比觀察材料的損傷分布效果。

3混凝土損傷本構(gòu)模型分析

3.1基于ABAQUS的非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的混凝土損傷模型

在ABAQUS中，創(chuàng)建混凝土材料的本構(gòu)模型是通過工具箱中的create material命令進(jìn)行的。模型首先定義混凝土的基本彈性屬性，主要是彈性模量、泊松比、密度。之后再定義混凝土損傷塑性塑性，主要是膨脹角、塑性勢偏移量、雙軸受壓初始屈服應(yīng)力與單軸受壓初始屈服應(yīng)力比值、K值、黏度系數(shù)五個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)通過查閱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》均可以得到準(zhǔn)確的參數(shù)值。最后通過定義混凝土損傷系數(shù)完成整個(gè)混凝土本構(gòu)模型的建立，綜上，得出的混凝土材料的本構(gòu)參數(shù)如表1所示。本文以已經(jīng)建立的鋼筋混凝土框架模型為例，在ABAQUS中對(duì)其進(jìn)行混凝土材料本構(gòu)參數(shù)的操作如圖1所示。

圖1混凝土材料本構(gòu)參數(shù)設(shè)置

分析：在損傷系數(shù)的定義中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)，

1.ABAQUS的混凝土損傷本構(gòu)模型采用的是非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，其中系數(shù)Dilation Angle，即膨脹角控制著塑性勢函數(shù)開口的大小。膨脹角越小，材料越容易破壞，那么相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)構(gòu)就偏向安全，但膨脹角越小就越不容易收斂。因此，膨脹角的取值應(yīng)當(dāng)適中，本案例中混凝土本構(gòu)參數(shù)中的膨脹角取值一般在30~35之間，取30。

2.Eccentricity（塑性勢偏移量）決定了塑性勢函數(shù)趨近其漸近線的速率。該參數(shù)的引入主要是為了保證塑性勢函數(shù)的連續(xù)、光滑及塑性勢函數(shù)在頂點(diǎn)處的可導(dǎo)性。本案例取值0.1。

3.Viscosity Parameter（黏度系數(shù)）是為了使材料模型在軟化階段更容易收斂，仍然保持0.1。

3.2基于ANSYS/LSDYNA的混凝土JHC損傷本構(gòu)模型

對(duì)于混凝土材料的本構(gòu)模型眾多學(xué)者進(jìn)行了深入分析研究以期望獲得一個(gè)更加準(zhǔn)確描述混凝土材料在壓縮拉伸等力學(xué)變化過程中的斷裂行為。除去上述本構(gòu)損傷模型以外，還有一種專門用來描述混凝土材料的本構(gòu)模型JHC本構(gòu)模型。然而，Abaqus自帶的材料模型中并沒有JHC本構(gòu)，其提供了內(nèi)置的子程序以供調(diào)用。為方便分析進(jìn)行，本文借助LSDYAN平臺(tái)對(duì)該本構(gòu)模型各參數(shù)含義進(jìn)行分析以了解此種本構(gòu)模型的優(yōu)勢之處，LSDYNA中對(duì)該JHC本構(gòu)參數(shù)的定義界面如圖2所示。JHC本構(gòu)模型是LSDYNA軟件材料庫中常用于模擬脆性材料的方程之一，尤其是方程中對(duì)材料的逐漸累積損傷的計(jì)算使得其能夠準(zhǔn)確模擬脆性材料的大變形、高應(yīng)變率效應(yīng)問題。JHC本構(gòu)包括應(yīng)力應(yīng)變模型、損傷失效模型、靜水壓力模型以及多項(xiàng)式狀態(tài)方程[1-2]。

圖2 LSDYNA中的JHC混凝土本構(gòu)參數(shù)定義界面

JHC本構(gòu)模型參數(shù)見本案例pdf

基于ABAQUS的混凝土損傷本構(gòu)模型與LSDYNA的JHC本構(gòu)模型比較分析.pdf

分析：基于上述JHC本構(gòu)模型參數(shù)的含義理解與分析，參考陳建林教授對(duì)各個(gè)參數(shù)做出的試驗(yàn)實(shí)際標(biāo)定可以得出混凝土材料的各個(gè)JHC本構(gòu)參數(shù)具體值如表1所示[3]，試驗(yàn)中混凝土采用的素混凝土試件的質(zhì)量配比為：石膏：325#水泥：沙：水=0．1：0．9：3：0．5，所使用的砂粒粒徑不大于0.63 mm，成形后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)壓實(shí)，然后在自然環(huán)境下干燥養(yǎng)護(hù)7天。

Table1 Constitutive Parameters of Cement Mortar JHC

fc	E	v	G	K
8.87 MPa	7.73GPa	0.18	3.27 GPa	4.06 GPa
Pcrush	ucrush		ulock	T
2.96MPa	0.000729	2099kg/m3	0.118	2.9MPa
	C	A	D1	D2
0.33	0.0004	0.754	0.0446	1.0
EFMIN	B	N	SMAX
0.022	1.41	0.34	7

分析：

1.JHC本構(gòu)參數(shù)及其繁雜，但也正因如此，其考慮了材料在擠壓過程中的損傷累積效應(yīng)，更加能夠準(zhǔn)確反映出混凝土材料的非線性變形等力學(xué)行為，如拉伸斷裂引起的裂紋延伸行為。

2.對(duì)比混凝土損傷本構(gòu)模型和JHC本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)基于非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的損傷本構(gòu)模型參數(shù)相對(duì)簡單，適用于處理混凝土材料在未發(fā)生破壞或小損傷情況下的本構(gòu)描述，對(duì)于高速?zèng)_擊、碰撞等非線性大變形問題求解，JHC本構(gòu)相對(duì)能夠更好描述混凝土材料的損傷演變行為。

4結(jié)論

本研究通過對(duì)比分析了兩種不同模擬混凝土的本構(gòu)損傷模型，研究了不同本構(gòu)模型中各個(gè)參數(shù)的含義及自身理解，對(duì)混凝土材料的損傷參數(shù)給出了自己的理解，本研究可為土木行業(yè)中混凝土材料本構(gòu)模型的選取一定的借鑒參考意義。

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