ANSYS,非線性，混凝土開裂，混凝土梁，分離式建模的案例
ANSYS鋼筋混凝土（三）分離式建模（粘結滑移）
01 分離式建模方法（考慮粘結滑移）
半年沒更帖子，最近有時間繼續把坑補完。
上次介紹了ANSYS中模擬鋼筋混凝土構件的分離式建模方法，鋼筋和混凝土之間的相互作用關系是共節點。而實際上，鋼筋與其附近的混凝土之間存在粘結-滑移的關系。
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（考慮粘結滑移）
粘結-滑移作用通過在重合的鋼筋和混凝土節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 混凝土梁體的節點位置需要和鋼筋節點位置相重合（或接近），這意味著劃分網格時，需要協調兩者的單元尺寸。
混凝土與鋼筋節點位置重合（或靠近）
對于鋼筋混凝土梁，一般來說只需對縱筋考慮粘結-滑移作用。因此對位置重合的鋼筋和混凝土節點，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滑移關系（注意要乘以單元長度）。這個粘結滑移關系有大量可供參考的規范和文獻，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，自動地對重合的混凝土和鋼筋節點施加耦合作用和非線性彈簧單元：
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展開 ANSYS鋼筋混凝土（二）分離式建模（共節點）
01 分離式建模方法（共節點）
上次介紹了ANSYS中使用SOLID65中配筋率實常數來考慮鋼筋的“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（共節點）
分離式建模即將鋼筋混凝土結構中的鋼筋網按照其主要幾何構造建模，并賦予其桿單元（LINK180等）屬性。又按照鋼筋網與混凝土的連接方法細分為“共節點”、“考慮粘結滑移”、“EMBEDDED方法”等。
鋼筋與混凝土共節點即鋼筋單元上的節點與其對應重合位置的混凝土節點本身為共節點，這種方法忽略了鋼筋與混凝土間的粘結滑移作用，但勝在相對簡便，且在大多數情況下考慮粘結滑移與否對結果的影響不大。
要使網格劃分時鋼筋節點與混凝土節點本身為共節點，那么就要求幾何上鋼筋線（Line）本身就是混凝土體（Volume）體內的線，這也是“共節點”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對稱結構）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 【原創成果】細觀混凝土、UHPC數值建模與非線性斷裂模擬
作為典型的非均質工程復合材料，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。現有國內外研究一般將這些復合材料等效為各向同性均勻介質，建立模型比較方便，能夠獲得結構的宏觀響應例如荷載-位移曲線等。但這些宏觀均質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。與宏觀均質模擬相比，細觀計算模擬目前具有兩方面挑戰：一方面需要模擬復雜的細觀各相材料及其相互作用；另一方面需要求解大規模非線性方程，準確模擬損傷斷裂中的材料軟化現象。
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、纖維的形態和分布予以假設的隨機骨料、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 【CAE案例】鋼筋混凝土結構的非線性地震分析的建模和實驗驗證
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研發部門合作，開展了一項關于模擬鋼筋混凝土結構的研究與開發計劃。該項目的重要貢獻是開發了交替循環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，這項工作也必須規定模型的使用規則，使得結果更具可靠性。本次驗證工作基于鋼筋混凝土結構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。混凝土的力學特性是通過在一個F160*320mm的模型試件上進行相關實驗確定的。
圖1 Camus 3模型
施加的地震載荷有兩種，左圖是從PS92規則中Nice S1頻譜中推導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。附加質量由相同類型的有限元建模，以考慮旋轉慣性。
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估的剛度。采用雙節點桿式構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。
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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
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劃好點位坐標，以方便后續組裝。
二、定義材料
混凝土：彈性模量取29.5GPa,根據本構模型計算表格，輸入相應的參數，得到混凝土的本構模型。
鋼筋：鋼筋采用理想彈塑性模型，輸入參數如下。
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在截面面積上，類似ANSYS中實常數的輸入。
四、部件組裝
根據結構尺寸圖，組裝成體。為了利于墊塊與梁主體之間的連接，在梁的適當部分進行切分。
展開 轉，鋼筋混凝土結構非線性有限元在ANSYS中的分析
本文針對梁、剪力墻等在實際工程中大量使用的結構構件,編制了鋼筋混凝土非線性有限元程序,為非線性有限元法在實際工程中的應用做了一些嘗試.
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鋼筋混凝土結構有限元模型
鋼筋混凝土有限元模型根據鋼筋的處理方式主要分為三種,即分離式、整體式和組合式模型。
2.1分離式模型
分離式模型把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理,即混凝土和鋼筋各自被劃分成足夠小的單元,兩者的剛度矩陣是分開來求解的。作為細長材料的鋼筋,通常可以忽略其橫向抗剪強度,當作線性單元處理。鋼筋與混凝土之間可以插入粘結單元來模擬鋼筋與混凝土之間的粘結與滑移。一般情況下鋼筋混凝土結構是存在裂縫的,而開裂必然導致鋼筋與混凝土變形的不協調,也就是說要發生粘結失效與滑移,所以此種模型的應用最為廣泛。
2.2 整體式模型
整體式模型假定混凝土和鋼筋粘結很好,將鋼筋分布于整個單元中,并把單元視為連續均質材料,采用混凝土鋼筋復合的本構關系,把混凝土、鋼筋二者的貢獻組合起來,一次求得綜合的單元剛度矩陣。其優點是建模方便,分析效率高,但缺點是不適用于鋼筋分布較不均勻的區域,且得到鋼筋內力比較困難。主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構件中,譬如剪力墻或樓板結構。
2.3 組合式模型
組合式模型是假設鋼筋以一個確定的角度分布在整個單元中,并假設混凝土與鋼筋之間存在著良好的粘結,認為兩者之間無滑移。組合式模型分為兩種:一種是分層組合式,在橫截面上分成許多混凝土層和若干鋼筋層,并對截面的應變作出某些假設,這種組合方式在鋼筋混凝土板、殼結構中應用較廣;另一種組合方法是采用帶鋼筋的等參數單元。該單元剛度矩陣推導時分別求出各自的單元剛度,然后組合起來。
在ANSYS中進行鋼筋混凝土非線性分析,最為常用的是分離式模型:混凝土(SOLID65單元) +鋼筋(LINK單元或PIPE單元),認為混凝土和鋼筋粘結很好。
展開 ANSYS鋼筋混凝土（一）整體式建模
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（共節點）、分離式建模（考慮粘結滑移）、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，筆者將通過多個帖子用實例逐個介紹ANSYS中以上模擬鋼筋混凝土的方法。可關注筆者的技術鄰賬號和公眾號，及時學習！
02 整體式建模方法
整體式模型即將鋼筋混凝土結構中的鋼筋彌散到整個混凝土結構中（采用混凝土實體單元SOLID65中自帶的配筋率實常數設置）。
其優勢在于建模簡單快捷，計算收斂性較好，劣勢在于其計算結果粗略。特別對于結構構件較多，且混凝土結構配筋非最主要研究對象時，建議采用整體式建模方法模擬鋼筋混凝土構件。
定義了配筋率后的鋼筋混凝土梁
03 案例分析
如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用整體式建模方法模擬，著重展示配筋率實常數計算和賦值方法。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
為簡化計算，建立鋼筋混凝土梁的1/2對稱模型，支座和加載頭建立鋼墊片，墊片與梁之間采用MPC算法粘結。
受壓區和受拉區縱筋配筋率需要分別定義，故用工作平面切割出受壓區和受拉區。
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