ANSYS——預應力施加方法各家匯集分類:ANSYS應用
拜年帖1-----預應力混凝土分析中等效荷載法與其它 作者：三月雨
眾所周知，在ANSYS中，預應力混凝土分析(有粘結)可采用等效荷載法和實體力筋法。所謂等效荷載法，就是將力筋的作用以荷載的形式作用于混凝土結構；所謂實體力筋法就是用solid模擬混凝土，而link模擬力筋。
1 等效荷載法的優缺點
優點是建模簡單，不必考慮力筋的具體位置而可直接建模，網格劃分簡單；對結構的在預應力作用下的整體效應比較容易求得。
其主要缺點是：
①等效荷載法沒有考慮力筋對混凝土的作用分布和方向，力筋對混凝土作用顯然在各處是不同的，等效荷載法則無法考慮；水平均布分量沒有考慮。
②對某些線形的力筋模擬困難，例如通常采用的是直線(較短)＋曲線＋直線(很長)＋曲線＋直線(較短)，這種形式的布筋等效起來麻煩，且可能不合理。
③難以求得結構細部受力反映，否則荷載必須施加在力筋的位置上，這又失去建模的方便性。
④在外荷載作用下的共同作用難以考慮，不能確定力筋在外荷載作用下的應力增量。
⑤對張拉過程無法模擬。
⑥無法模擬應力損失引起的力筋各處應力不等的因素。
其最大的一個缺點是：較粗！得到的結果與實際情況誤差較大！最近做了點實際計算，經過比較發現，結果與實際的誤差相差較多(可能是特例)，所以采用該方法需要謹慎和校驗一下。
2 實體力筋法的優缺點
將混凝土和力筋劃分為不同的單元，預應力的模擬可以采用降溫方法和初應變方法。降溫方法比較簡單，同時可以模擬力筋的損失，單元和實常數幾種即可；初應變通常不能考慮預應力損失，否則每個單元的實常數各不相等，工作量較大。
可消滅等效荷載法的缺點。但建模工作量似乎要大些。

拜年帖2-----預應力混凝土分析中實體力筋法的ansys處理過程
有兩種處理方法，一是體分割法，二是采用獨立建模耦合法。
1 體分割法
用工作平面和力筋線拖拉形成的一個面，將將體積分割(divide)，分割后體上的一條線定義為力筋線。這樣不斷分割下去，最終形成許多復雜的體和多條力筋線，然后分別進行單元劃分，施加預應力、荷載、邊界條件后求解。這種方法是基于幾何模型的處理，即幾何模型為一體，力筋位置準確，求解結果精確，但當力筋線形復雜時，建模特別麻煩。
2 獨立建模耦合法
該法的基本思想是實體和力筋獨立建幾何模型，分別劃分單元，然后采用耦合方程將力筋單元和實體單元聯系起來，這種方法是基于有限元模型的處理。其基本步驟如下：
①建立實體幾何模型（不考慮力筋）；
②建立力筋線的幾何模型（不考慮體的存在）；
③將幾何模型按一定的要求劃分單元（這時也是各自獨立的）；
④選擇所有力筋線；
⑤選擇與上述力筋相關的節點(nsll命令)，并定義選擇集；
⑥將上述力筋節點存入數組；
⑦選擇所有節點，并去掉⑤中的節點集(這時是除力筋節點外的所有節點)；
⑧按力筋節點數組搜尋所有最近的實體節點號，并存入數組中；
⑨耦合力筋節點與最近的節點，一一耦合(cp命令)（不能使用cpintf命令，這樣可能耦合其它節點，且容易不耦合）
⑩選擇所有，并施加邊界條件和荷載，可以求解了。
這種方法建模特別簡單，耦合處理也比較簡單(APDL要熟悉些)，缺點是當實體單元劃分不夠密時，力筋節點位置可能有些走動，但誤差在可接受范圍之內！這種方法是解決力筋線形復雜且力筋數量很多時的較佳方法。

預應力簡支梁彈性分析--體線獨立耦合法示例
!-----------------------------------------
/prep7
eg=2e5
ag=140
eh=4e4
r0=9345
yyl=200000
et,1,link8
et,2,solid95
r,1,ag,yyl/eg/ag*1.036258
r,2
mp,ex,1,eg
mp,prxy,1,0.3
mp,ex,2,eh
mp,prxy,2,0.2
blc4,,,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
vplot
!------------定義力筋線
ksel,all
*get,kp0,kp,0,num,max
lsel,none
k,kp0+1,50,160
k,kp0+2,50,160,3000
k,kp0+3,50,800,1500
larc,kp0+1,kp0+2,kp0+3,r0
kdele,kp0+3
*get,line1,line,0,num,min
!-------------定義約束
lsel,s,loc,z,0
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,uy
lsel,s,loc,z,3000
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,all
allsel,all
!-----------單元劃分
lsel,s,,,line1
latt,1,1,1
lesize,all,,,50
lmesh,all
vsel,all
vatt,2,2,2
lsel,s,loc,z,0
lsel,r,loc,y,10,140
lesize,all,,,8
lsel,s,loc,z,0
lsel,u,loc,y,10,140
lesize,all,,,4
lsel,s,loc,y,0
lsel,r,loc,x,0
lesize,all,,,50
vsweep,all
allsel,all
!耦合自由度
lsel,s,,,line1
nsll,s,1
cm,cmljnod,node
*get,max1,node,0,count
*dim,ojd,,max1
*dim,jd,,max1
*get,nod1,node,0,num,min
ojd(1)=nod1
*do,i,2,max1
ojd(i)=ndnext(ojd(i-1))
*enddo
allsel,all
nsel,all
cmsel,u,cmljnod
*do,i,1,max1
nod1=ojd(i)
j=nnear(nod1)
jd(i)=j
*enddo
nsel,all
ji=1
*do,i,1,max1
cp,ji,ux,ojd(i),jd(i)
cp,ji+1,uy,ojd(i),jd(i)
cp,ji+2,uz,ojd(i),jd(i)
ji=ji+3
*enddo
allsel,all
ji=
i=
max1=
nod1=
ojd=
jd=
j=
ag=
eg=
eh=
kp0=
r0=
yyl=
line1=

finish
/solu
solve
finish
/post1
pldisp,1
etable,sigi,ls,1
plls,sigi,sigi,1

模擬預應力主要分為兩大塊：一．模擬預應力的張拉過程；二．模擬預應力在結構中的作用．
　　對于一比較復雜，需要考慮摩擦，主要問題是參數的選取，而不是如何建立模型的問題，具體參數需要大量的試驗才能確定．
　　對于二是結構分析比較關心的問題，不論采用耦合、共用節點，約束方程，主要問題是力的傳遞路徑是否正確，以及預應力的分布是否正確。對于體外索，整根預應力束應力相同，可以采用統一的初始應變，或著降溫，中間節點在和轉向器連接的地方放松縱向自由度，徑向同轉向器節點耦合。而對于體內束，不管先張、后張，結構形成以后預應力和混凝土已經固節（除非你分析極限承載力，考慮滑移），預應力節點和混凝土節點應該完全耦合。其主要問題是整個預應力束的預應力分布如何模擬，施加分段初應變是可取的，但是比較繁瑣（但完全可以很好的控制）。
　　還有一個問題，就是初應變的大小如何確定，實際上，確定初應變的大小就是模擬張拉的一個過程，我們最終要的是存留值，要想精確模擬所以必須通過反復調整初應變來模擬混凝土梁的彈性壓縮損失。

還有“有限元梁桿組合結構分析方法”
分別用梁單元模擬混凝土梁,用桿單元模擬預應力筋.梁與桿之間的連接方式采用剛臂或約束方程,即梁兩端為固接,桿兩端為鉸接,確保在桿上施加的預應力可以傳遞到梁兩端,同時梁的變形對預應力的影響也可以通過桿表現出來,由此形成鋼筋混凝土梁的梁桿組合結構.
預應力通過初應變或降溫法使桿產生收縮應變以模擬預應力筋張拉,桿收縮對梁的軸力和彎矩作用可通過約束方程或剛臂傳遞到梁兩端.設桿軸力為T,則對梁兩端的軸力和彎矩分別為
F=T;　　M=Ta.
梁桿組合結構分析方法的實質是利用桿施加預應力取代等效載荷,這樣不僅可以解決梁截面特性隨預應力筋的加入而改變的問題,而且使預應力效應可以動態響應結構變化.這種方法比等效載荷法更接近實際,精度更高.
預應力筋張拉模擬采用降溫法模擬預應力張拉.對先張法預應力混凝土,一次降溫可模擬張拉過程;對后張法預應力混凝土,由于降溫模擬張拉過程中結構會發生相應變化,因此一次降溫模擬難以達到預期張拉力,可以通過降溫迭代方法來達到預期值.而對于彈性壓縮損失,則可利用單元生死技術模擬分批張拉有效計入

個人愚見：
等效荷載做分析，對于直線筋，模型整體分析顯然是適用的，做局部分析也可以；對于曲線筋無法模擬損失及應力分布情況，不適用。
溫度模擬預應力實際上是有問題的，從計算理論上可知，即使對于不考慮摩察損失的直線筋，若鋼筋與梁體分離僅僅梁端耦合，本質上與等效荷載法完全一致；若不只是梁端耦合，那么降溫過程，無法模擬張拉鋼筋的滑移，對于曲線筋，無法模擬預應力鋼筋的損失及梁體受到切向摩察的應力分布情況，所以應該說用溫度模擬預應力是有很大的問題的。
初應變模擬鋼筋與溫度類似，若要研究梁體局部應力分布情況，與降溫法一樣無法模擬。模擬出的結論對梁的跨中截面而言可能正確的，但離開跨中，有摩察和滑移地方不正確，并且越離跨中遠誤差越大。
所以很多分析都是針對跨中數據的檢驗，好像正確（跨中剛好對稱），若對離開跨中一段距離進行分析，就會發現不正確。所以若要對梁體進行局部應力分布分析，要考慮滑移和摩察的切向影響后，就會發現問題。
所以實際用ANSYS計算的預應力效果不如用結構設計原理和規范計算結果準確。橋梁博士是采用設計原理和規范計算方法，所以比較準確。

正在做連續梁橋的懸臂施工仿真分析,對于三向預應力鋼筋的模擬是一個很關鍵的問題,總結了一些自己的體會.
1;用面面切割體生成線是很方便也是比較理想的,能準確的模擬力筋的位置,對線型把握得很好,但要考慮一個問題就是在力筋線很多,而模型本身又不是很規整的情況下會造成切割成太多的小實體(比如橫向,豎向的鋼筋靠得很近而且又多),在分網的時候就會出現問題以致沒法做下去.
2:等效荷載法是一種很傳統的方法,很多橋梁分析軟件在考慮預應力的時候是在平面桿系結構中用等效荷載來做的..我覺得在做整體分析是用它來分析應該是可以的.要做局部分析的話,不是很好;比如在做箱梁分析的時候,縱向的預應力鋼筋長而且線型復雜.用這種方法是不行的.而在考慮豎向鋼筋的時候,直筋而且不是很長,(LMAX=4M)采取等效荷載法來做.
3: 當預應力筋的線型比較復雜,實體和預應力筋單獨建模,分網,用約束方程法來做不錯,我在考慮腹板的縱向預應力筋的時候就是這樣來做的
4;在同一個模型中結合上面的三種方法來做,說來也是沒辦法啊,在用方法一實在是做不下去了,就用綜合后面的方法來做,不過最后還算可以.
5;預應力的損失如何算,就按規范來做嗎,可不可以用ANSYS來做這方面的分析,希望有更多的人來探討
6.一點拙見,希望各位指教.

在ansys中施加預應力好像是個蠻重要的問題，希望大伙能仁者見仁智者見智。
我先說兩句：
１．在構件表面可以加等效荷載，現在好像一般都采用這種方法。
２．把預應力筋的位置從混凝土體中挖去，然后在在洞口的表面上加上荷載，適于精確分析。這種方法我正在嘗試，但比較繁，而且網格劃分會很密，不適宜做整體的分析，但可用于局部分析。
３．加溫度荷載。在預應力筋處降溫，產生收縮，施加當量的預應力，這種方法目前正在嘗試。請高手多多指教！

在一篇論文中有這樣的描述：墻板，環梁，底板均采用ANSYS提供的三維實體SOLID65進行分析，預應力鋼絞線采用連接元LINK8，此單元有拉伸壓縮剛度，無抗彎剛度。劃分單元時候，使LINK8元的節點和SOLID65元的節點置空間同一點。空間同點上的二節點在線單元LINK8垂直平面內的位移，利用約束方程處理為相同，而二節點沿線元縱向的位移各自獨立。LINK8元和SOLID65元空間同點節點的約束方程處理，正確反映了后張預應力施工時候，鋼絞線只能沿墻縱向相對滑移而不會走離墻中心位置餓真實過程。

It depends what do you want.

If you want to determine the stress distribution at EACH stage you apply the loads, I advice you use link element with initial strain.

If you want to decide the stress distributon ONLY at the service load stage, I think it will be easier to use eqal load method.

If you want to design the structure at ultimate limit stage, maybe you can even igonre the effect of prestress, because all the reinforcement have reached their strength. (Of course you can include the seconde order moments and shears).

用溫度應力代替預應力是可行的.
可能也是最好的模擬預應力方法.
可以做幾個習題試一下

在ANSYS中通過變溫施加預應力是一種簡便實用的手段。先將預應力筋的形狀用LINK單元表示好（轉折處用約束方程規定），不必擔心單元的重疊，然后根據需要定義LINK單元的線脹系數及其溫變（其它單元不要規定溫變）。
嘗試計算一次，核對一下LINK單元的應力是否滿足精度（因為相連的其它單元會一起變形），調整一兩次就可以了

還有一個辦法,就是直接加預應力荷載. 在solution中,有一個apply initial stress 的命令.不過好像只能用于部分單元:link180,beam188,beam189,etc...

預應力混凝土的分析方法可分為兩大類：其一是將力筋的作用以荷載的形式作用于結構即所謂的等效荷載法，其二是力筋和混凝土分別用相應的單元模擬，預應力通過不同的模擬方法施加稱之為實體力筋法，這兩種方法都可根據不同的分析目的或需要而采用不同的單元進行模擬。
等效荷載法可采用的單元形式主要有beam 系列shell系列和solid系列,考慮到該方法的特點,一般作為結構受力分析或施工過程控制可采用beam 和shell系列單元,而使用solid單元系列則比較少。
等效荷載法的優點是建模簡單，不必考慮力筋的具體位置而可直接建模，網格劃分簡單。對結構在預應力作用下的整體效應比較容易求得。其主要缺點是：
1、無法考慮力筋對混凝土的作用分布和方向。曲線力筋對混凝土作用在各處是不同的，等效時沒有考慮，而水平分布力也沒有考慮。
2、在外荷載作用下的共同作用難以考慮，不能確定力筋在外荷載作用下的應力增量。
3、難以求得結構細部受力反應，否則荷載必須施加在力筋的位置上，這又失去建模的方便性。
4、張拉過程難以模擬，且無法模擬由于應力損失引起力筋各處應力不等的因素。
5、細部計算結果與實際情況誤差較大，不宜進行詳盡的應力分析。
實體力筋
實體力筋法中的實體可采用的單元有shell系列和solid系列,對混凝土結構一般采用solid系列比較好。在彈性階段應力分析中，可采用彈性的solid系列，而要考慮開裂和極限分析，可采用專為混凝土模擬的solid65單元。而力筋可采用link單元系列。
預應力的模擬方法有降溫法和初應變法，降溫方法比較簡單，同時可以設定不同位置的預應力不等，即能夠對應力損失進行模擬；初應變法通常不能考慮預應力損失，否則每個單元的實常數各不相等，工作量較大。這種方法可消除等效荷載法的缺點，對預應力混凝土結構的應力分析能夠精確地模擬。實體力筋法在建模處理上有三種處理方法，即實體分割法，節點耦合法，約束方程法。

實體分割法
基本思路是先以混凝土結構的幾何尺寸創建實體模型，然后用工作平面和力筋線拖拉形成的面，將混凝土實體分割，將分割后體上的一條與力筋線型相同的線定義為力筋線，這樣不斷分割下去，最終形成許多復雜的體和多條力筋線，然后分別進行單元劃分、施加預應力、荷載、邊界條件后進行求解。這種方法是基于幾何模型的處理，力筋位置準確，求解結果精確，但當力筋線型復雜時，建模比較麻煩，甚至導致布爾運算失敗。
節點耦合法
該法的基本思路是分別建立實體和力筋的幾何模型，創建幾何模型時不必考慮二者的關系，然后對幾何模型的實體進行各自的單元劃分，單元劃分后采用耦合節點自由度將力筋單元和實體單元聯系起來，這種方法是基于有限元模型的處理，其基本步驟可歸結如下：
1、建立混凝土實體幾何模型，此時不考慮力筋
2、建立力筋線的幾何模型，此時不考慮混凝土實體的存在。
3、將幾何模型按一定的要求劃分單元，此時也是各自獨立地劃分。
4、選擇所有力筋線及其力筋的相關節點、并定義選擇集、將上述力筋節點存入數組。
5、選擇所有節點，并去掉力筋節點的選擇集，即選擇除力筋節點外的所有節點。
6、按力筋節點數組搜尋所有最近的混凝土單元節點號，并存入數組中；
7、耦合力筋節點與最近的混凝土單元節點自由度。
8、施加邊界條件和荷載，求解。
這種方法建模比較簡單，若熟悉apdl編程，則耦合節點自由度處理也比較簡單。缺點是當混凝土單元劃分不夠密時，力筋節點位置可能有些走動，造成一定誤差，為消除該誤差，勢必將混凝土單元劃分的較密，即以犧牲計算效率獲得上述優點，該方法是解決大量復雜力筋線型的有效方法。

約束方程法
在節點耦合法中，是通過點（混凝土單元上的一個節點）點（力筋上的一個節點）自由度耦合的，這樣需要找尋最近的節點然后耦合，略顯麻煩。所以可通過ceintf命令在混凝土單元節點和力筋單元節點之間建立約束方程。與利用節點耦合法建模相比較，更為簡單，在分別建立幾何模型和單元劃分后，只需選擇力筋節點ceintf命令自動選擇混凝土單元的數個節點，在容差范圍內與力筋的一個節點建立約束方程，通過多組約束方程，將力筋單元和混凝土單元連接為整體。
顯然，該法更能提高工作效率，且對混凝土網格密度要求不高進而提高了計算效率。該法也比較符合實際情況，計算結果較為精確。