ANSYS,非線性，混凝土開裂，混凝土梁，分離式建模
關(guān)注創(chuàng)建者：Hs小畢 創(chuàng)建時間：2019-01-30
ANSYS,非線性，混凝土開裂，混凝土梁，分離式建模的視頻教程
【01】基于ANSYS的鋼筋混凝土梁開裂過程模擬(分離式建模)教程
以一種配筋率的鋼筋混凝土適筋梁作為算例進行了ANSYS的仿真分析，結(jié)合這個算例，介紹了該適筋梁的整個建模的過程，并且用了不同的加載方式施加荷載，非線性求解完成后，分別得到不同加載方式下的荷載和跨中撓度曲線、主筋應(yīng)力和跨中的撓度曲線、混凝土梁的軸向應(yīng)力、受拉縱筋的應(yīng)力以及裂縫開展的過程，提供相應(yīng)的后處理的命令流。 ? ? ? ?
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ANSYS,非線性，混凝土開裂，混凝土梁，分離式建模的實例教程
01 分離式建模方法（考慮粘結(jié)滑移）
半年沒更帖子，最近有時間繼續(xù)把坑補完。
上次介紹了ANSYS中模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的分離式建模方法，鋼筋和混凝土之間的相互作用關(guān)系是共節(jié)點。而實際上，鋼筋與其附近的混凝土之間存在粘結(jié)-滑移的關(guān)系。
本文介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的一種進階方法——分離式建模（考慮粘結(jié)滑移）
粘結(jié)-滑移作用通過在重合的鋼筋和混凝土節(jié)點上添加非線性彈簧combin39來考慮。這意味著在建立幾何模型和劃分網(wǎng)格時，需要注意以下兩點：
① 混凝土梁體和鋼筋需要分別建模（而非在梁體上切割出鋼筋線體后賦值）。
② 混凝土梁體的節(jié)點位置需要和鋼筋節(jié)點位置相重合（或接近），這意味著劃分網(wǎng)格時，需要協(xié)調(diào)兩者的單元尺寸。
混凝土與鋼筋節(jié)點位置重合（或靠近）
對于鋼筋混凝土梁，一般來說只需對縱筋考慮粘結(jié)-滑移作用。因此對位置重合的鋼筋和混凝土節(jié)點，在梁截面的兩個方向只須耦合其自由度，在縱向（縱筋方向）添加非線性彈簧Combin39即可。
其中，非線性彈簧的F-X屬性即是鋼筋混凝土粘結(jié)滑移關(guān)系（注意要乘以單元長度）。這個粘結(jié)滑移關(guān)系有大量可供參考的規(guī)范和文獻，可按需取用。
02 案例分析
仍然是如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用考慮粘結(jié)滑移的分離式建模方法模擬，此次計算中不考慮箍筋的建模。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
有限元模型示意圖如下：
鋼筋混凝土梁模型示意圖
核心的命令流是如何寫一個循環(huán)，自動地對重合的混凝土和鋼筋節(jié)點施加耦合作用和非線性彈簧單元：
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展開 01 分離式建模方法（共節(jié)點）
上次介紹了ANSYS中使用SOLID65中配筋率實常數(shù)來考慮鋼筋的“整體式建模方法”：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794777
本文則介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的常用方法——分離式建模（共節(jié)點）
分離式建模即將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)按照其主要幾何構(gòu)造建模，并賦予其桿單元（LINK180等）屬性。又按照鋼筋網(wǎng)與混凝土的連接方法細分為“共節(jié)點”、“考慮粘結(jié)滑移”、“EMBEDDED方法”等。
鋼筋與混凝土共節(jié)點即鋼筋單元上的節(jié)點與其對應(yīng)重合位置的混凝土節(jié)點本身為共節(jié)點，這種方法忽略了鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移作用，但勝在相對簡便，且在大多數(shù)情況下考慮粘結(jié)滑移與否對結(jié)果的影響不大。
要使網(wǎng)格劃分時鋼筋節(jié)點與混凝土節(jié)點本身為共節(jié)點，那么就要求幾何上鋼筋線（Line）本身就是混凝土體（Volume）體內(nèi)的線，這也是“共節(jié)點”的基本操作思路。下圖可以很好地幫助理解其原理：
02 案例分析
仍然是如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用共節(jié)點的分離式建模方法模擬，實例詳情可能與真實工程和試驗相比有不合理之處，只借此著重展示共節(jié)點的整體式建模操作方法。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
有限元模型（取1/2對稱結(jié)構(gòu)）示意圖如下，可見通過這種方法可詳細地考慮鋼筋籠的特征。
鋼筋混凝土梁模型示意圖
體現(xiàn)在實際操作中，核心的命令流是靈活使用工作平面變換（WP系列命令）、切割（VSBW）操作切割出鋼筋線，并用LATT命令對不同的鋼筋線進行賦值。
展開 作為典型的非均質(zhì)工程復(fù)合材料，普通混凝土、超高性能混凝土(UHPC)、纖維混凝土(FRC)、纖維復(fù)合材料(FRP)等的斷裂是局部微小裂隙、孔洞、各相界面等初始缺陷從起裂、擴展至融合為宏觀裂縫的過程，該過程橫跨微觀、細觀、宏觀等多個尺度，因此采用多尺度實驗和計算模擬等手段進行研究成為自然的選擇。現(xiàn)有國內(nèi)外研究一般將這些復(fù)合材料等效為各向同性均勻介質(zhì)，建立模型比較方便，能夠獲得結(jié)構(gòu)的宏觀響應(yīng)例如荷載-位移曲線等。但這些宏觀均質(zhì)模型未模擬隨機分布的骨料、纖維、界面及孔洞等細觀特征，較難精確闡明材料破壞的多尺度機理。與宏觀均質(zhì)模擬相比，細觀計算模擬目前具有兩方面挑戰(zhàn)：一方面需要模擬復(fù)雜的細觀各相材料及其相互作用；另一方面需要求解大規(guī)模非線性方程，準(zhǔn)確模擬損傷斷裂中的材料軟化現(xiàn)象。
目前，混凝土、UHPC細觀模型主要有兩種直接建模方法，一種是基于骨料、纖維的形態(tài)和分布予以假設(shè)的隨機骨料、隨機纖維模型，這種比較多見；另一種是近來國內(nèi)外興起的基于XCT真實圖像的模型(XCT image-based model)。本文將以這兩種模型為研究對象，選用已發(fā)表的成果作為例子介紹給大家(整理了一些直觀圖片)，感興趣的朋友可詳閱附上的文獻，歡迎大家批評指正。
還有一種非直接的細觀模擬方法， 即采用隨機場理論，也可以間接模擬細觀斷裂，例如：
□ Zhang H, Huang Y J, Hu X J, Xu S L. A quasi-brittle fracture investigation of concrete structures integrating random fields with the CSFEM-PFCZM. Engineering Fracture Mechanics, 2023, 281: 109107.
展開 01 案例背景
為了滿足評估地震載荷對土木工程性能影響的需求，SEPTEN與EDF研發(fā)部門合作，開展了一項關(guān)于模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)計劃。該項目的重要貢獻是開發(fā)了交替循環(huán)載荷下的兩種鋼筋混凝土模型：2D各向異性的Nada?_B模型，與3D各向同性Endo_Isot_Béton模型。
目前這些模型需要進行深入的驗證工作，除了驗證模型之外，這項工作也必須規(guī)定模型的使用規(guī)則，使得結(jié)果更具可靠性。本次驗證工作基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震載荷下的實驗，給出了使用Nada?_B模型模擬Camus 3實驗與用Endo_Isot_Béton模型模擬樓板實驗的結(jié)果。
02 仿真過程
Camus 3模型是一個與實際建筑比例為1：3的建筑模型。如下圖所示，它是由兩個無開口承重墻組成，由6層樓板連接而成，他們被錨定在振動臺上。混凝土的力學(xué)特性是通過在一個F160*320mm的模型試件上進行相關(guān)實驗確定的。
圖1 Camus 3模型
施加的地震載荷有兩種，左圖是從PS92規(guī)則中Nice S1頻譜中推導(dǎo)出來的人工加速度圖，并將其歸一化為0.25g。右圖是Meledy Ranch的自然地震信號，相較于前者，后者的信號頻率更高，強度更強，持續(xù)時間更短。
圖2 Nice S1加速度時序譜與Meledy Ranch加速度時序譜
施加的應(yīng)力是水平的，與樓板平行。如下圖所示，模型采用局部雙軸方法建模。采用雙線性位移插值的四節(jié)點（四高斯點）薄膜單元來表示帆、梁、板、臺架接觸層和振動臺。附加質(zhì)量由相同類型的有限元建模，以考慮旋轉(zhuǎn)慣性。
平臺有四個支座，每個支座的剛度采用通過混凝土塊進行的試驗預(yù)估的剛度。采用雙節(jié)點桿式構(gòu)件表示垂直向和水平向的鋼筋。模型中沒有顯示橫向鋼筋，假定鋼筋與混凝土完美粘結(jié)。
展開 基于ABAQUS混凝土損傷模型的某適筋梁非線性靜力分析一般過程
某適筋梁，截面尺寸以及配筋如下所示，采用ABAQUS對其進行靜力分析。在加載處以及支座附近分別設(shè)置了剛性墊塊，混凝土保護層厚度取35mm。
材料特性如下：
1、混凝土：抗壓強度fc=24MPa,抗拉強度ft=2.4MPa，采用混凝土損傷本構(gòu)模型；密度為2400Kg/m^3
2、鋼筋：彈性模量E=190GPa,泊松比u=0.3,屈服強度210MPa;密度為7800Kg/m^3
3、墊塊：彈性模量E=2100GPa，泊松比u=0.3;密度為7800Kg/m^3
建模過程如下：
一、建立part
根據(jù)上圖信息，分別建立梁主體、剛性墊塊、底部受拉筋、頂部受壓筋、箍筋的part。混凝土保護層厚度取35m，底部第一排鋼筋與第二排鋼筋的間距取35mm，端頭縱筋的保護層厚度取25mm。建立過程中需要提前規(guī)劃好點位坐標(biāo)，以方便后續(xù)組裝。
二、定義材料
混凝土：彈性模量取29.5GPa,根據(jù)本構(gòu)模型計算表格，輸入相應(yīng)的參數(shù)，得到混凝土的本構(gòu)模型。
鋼筋：鋼筋采用理想彈塑性模型，輸入?yún)?shù)如下。
墊塊：只考慮其彈性行為，按彈性材料輸入。
三、截面屬性定義
對于梁主體以及墊塊，直接賦予材料屬性即可。對于鋼筋，還需輸入截面面積，不同型號的鋼筋體現(xiàn)在截面面積上，類似ANSYS中實常數(shù)的輸入。
四、部件組裝
根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸圖，組裝成體。為了利于墊塊與梁主體之間的連接，在梁的適當(dāng)部分進行切分。
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01 案例背景
為了滿足評估地震載荷對土木工程性能影響的需求，SEPTEN與EDF研發(fā)部門合作，開展了一項關(guān)于模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)計劃。該項目的重要貢獻是開發(fā)了交替循環(huán)載荷下的兩種鋼筋混凝土模型：2D各向異性的Nada?_B模型，與3D各向同性Endo_Isot_Béton模型。
目前這些模型需要進行深入的驗證工作，除了驗證模型之外，這項工作也必須規(guī)定模型的使用規(guī)則，使得結(jié)果更具可靠性
01 分離式建模方法（考慮粘結(jié)滑移）
半年沒更帖子，最近有時間繼續(xù)把坑補完。
上次介紹了ANSYS中模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的分離式建模方法，鋼筋和混凝土之間的相互作用關(guān)系是共節(jié)點。而實際上，鋼筋與其附近的混凝土之間存在粘結(jié)-滑移的關(guān)系。
本文介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的一種進階方法——分離式建模（考慮粘結(jié)滑移）
01 分離式建模方法（共節(jié)點）
上次介紹了ANSYS中使用SOLID65中配筋率實常數(shù)來考慮鋼筋的“整體式建模方法”：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794777
本文則介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的常用方法——分離式建模（共節(jié)點）
01 ANSYS中的鋼筋混凝土
目前在ANSYS中模擬鋼筋混凝土主要有以下幾種方法：整體式建模、分離式建模（共節(jié)點）、分離式建模（考慮粘結(jié)滑移）、使用“Embed”方法（編寫弘文件）、使用REINF單元等。
以下是幾種鋼筋混凝土的模擬思路：
接下來一段時間內(nèi)，筆者將通過多個帖子用實例逐個介紹ANSYS
序
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更新見：https://zhuanlan.zhihu.com/p/130425914?
關(guān)鍵詞：隨機細觀模擬(stochastic simulation at mesoscale)，XCT實驗與圖像處理(XCT test and image processing)，連續(xù)損傷塑性
基于ABAQUS混凝土損傷模型的某適筋梁非線性靜力分析一般過程
某適筋梁，截面尺寸以及配筋如下所示，采用ABAQUS對其進行靜力分析。在加載處以及支座附近分別設(shè)置了剛性墊塊，混凝土保護層厚度取35mm。
材料特性如下：
1、混凝土：抗壓強度fc=24MPa,抗拉強度ft=2.4MPa，采用混凝土損傷本構(gòu)模型；密度為2400Kg/m^3
2、鋼筋：彈性模量E=190GPa,泊松比
前言
混凝土是一種力學(xué)性能十分復(fù)雜的建筑材料,由水泥、砂、石、水及各種外加劑硬化而成,成分復(fù)雜,性能多樣.迄今為止,還不能說對混凝土的力學(xué)性能己經(jīng)完全掌握了。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析和強度計算,傳統(tǒng)的方法是建立基于大量試驗研究的經(jīng)驗公式,對于常規(guī)設(shè)計而言,這種方法仍不失其實用價值。但是基于試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式并不能滿足人們對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深入認(rèn)識的需要,諸如混凝土的彈塑性性質(zhì)、混凝土的開裂及鋼筋與混凝土的交互作用等
