abaqus 混凝土開裂的案例
基于擴展有限元的混凝土受力開裂計算分析
本文基于大型非線性有限元商用軟件Abaqus模擬混凝土I型開裂行為，主要內(nèi)容包括：混凝土開裂模型介紹、數(shù)值模擬細節(jié)、后處理分析。
模型介紹
本文講解的模型數(shù)據(jù)選自胡少偉課題組[2]，模型尺寸圖所示，彈性模量：30 GPa，泊松比：0.167，抗拉強度：1.65 Mpa，斷裂能：102.8 N/m，預(yù)置裂紋長度為80 mm。
圖 1 混凝土開裂模型尺寸
模擬細節(jié)
Abaqus以非線性計算為自身優(yōu)勢，在眾多有限元軟件中一騎絕塵，本文選用Abaqus作為模擬工具。
整體介紹
為減少計算成本，整體采用平面應(yīng)力模型，讀者也可根據(jù)自己需求建立三維實體模型。支座與壓頭使用離散剛體，即剛度無限大，不參與計算過程，不要忽略了剛體的參考點設(shè)置。
圖1 2D三點彎曲梁模型圖
材料屬性
應(yīng)用Maxps Damage斷裂準則，損傷演化采用以能量線性Linear軟化本構(gòu)，斷裂能參數(shù)輸入至Fracture Energy，粘性系數(shù)Damage Stabilization Cohesive-Viscosity coefficient選用1.0 e-4~1.0 e-5，該選項的作用是幫助收斂，取值范圍是一個經(jīng)驗性的取值，具體的范圍取值可參照Ahmad[3]的建議 。
圖 2 材料屬性設(shè)置
分析步設(shè)置
在斷裂分析中，結(jié)構(gòu)大變形開關(guān)應(yīng)保持開啟(Nlgeom：on)，最大增量步數(shù)可以適當調(diào)整，初始分析步應(yīng)相對減小，使得結(jié)構(gòu)在啟裂階段更容易收斂，最小增量步也應(yīng)適當減小，在這里我設(shè)置的1.0E-12，大家可以試一試別的數(shù)值，最大增量步無實際含義，保持默認值1不變即可。
展開 abaqus鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂
abaqus鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂
ABAQUS中帶預(yù)制裂縫XFEM的纖維混凝土開裂-纖維帶取向度 ￥300
ABAQUS中帶預(yù)制裂縫XFEM的纖維混凝土開裂-纖維帶取向度（隨機、水平、垂直、特定取向度）
亮點：纖維的隨機分布角度對纖維混合基體整體性能的影響
開展帶預(yù)制裂縫的隨機亂向鋼纖維混凝土（SFRC）和定向鋼纖維混凝土(ASFRC)試件的三點彎曲靜載斷裂試驗。試件幾何尺寸如圖2.3所示，試件實際跨距L = 440 mm，試驗加載支座范圍內(nèi)有效跨距S = 400 mm，梁寬B = 100 mm，梁高D = 100 mm，跨中初始裂縫長度a0 = 40 mm，縫寬為2 mm。
ABAQUS隨機球體骨料細觀混凝土三維圓柱試件軸壓開裂
針對混凝土材料的細觀力學(xué)分析可建立其宏觀力學(xué)行為與細觀組分的關(guān)系，進而改進混凝土宏觀唯象理論的不足，推進混凝土細觀仿真的發(fā)展，解決試驗條件限制及資源浪費。本案例在ABAQUS軟件內(nèi)，建立隨機投放的三維球體骨料及圓柱體混凝土試件，基于損傷力學(xué)模型，進行準靜態(tài)軸心受壓試驗，研究混凝土圓柱試件的裂縫開展。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish RandomSphere Cylinder 3D V2.0插件建立球體骨料、圓柱體試件三維混凝土細觀模型。
建立圓柱體部件作為壓力試驗機加載板，并將其與插件生成的試件模型裝配為整體，設(shè)置兩者之間的相互作用。
添加材料，插件已將模型中的所有球體統(tǒng)一賦值截面屬性，只需替換截面中的材料，即可實現(xiàn)所有球體的材料批量賦值。
建立分析步，將上部板添加位移，下部板設(shè)置為固定約束，模擬試驗機的荷載施加。
對模型各部分進行網(wǎng)格劃分。
創(chuàng)建作業(yè)提交分析查看結(jié)果。
展開 
Abaqus混凝土梁三點彎曲開裂模擬基于隨機多邊形骨料及界面過渡區(qū)模型
在細觀混凝土開裂研究中，仿真可直觀揭示混凝土中多相材料的破壞特征及微觀裂縫的發(fā)展規(guī)律。本案例建立包含隨機多邊形粗骨料、界面過渡區(qū)（ITZ）及水泥砂漿在內(nèi)的細觀混凝土梁二維模型，對混凝土梁在三點彎曲工況下進行有限元模擬，展示混凝土梁跨中部位的裂縫發(fā)展情況。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish RandomPolygon2D V2.0插件建立多邊形粗骨料、實體界面過渡區(qū)、水泥砂漿三部件混凝土細觀模型。由于只考慮梁的跨中開裂情況，為了簡化模型的復(fù)雜度，這里只建立了跨中部分的細觀混凝土模型。
為實現(xiàn)長方形梁模型，手動建立長方形部件，并與插件建立的細觀混凝土模型裝配為整體，并進行相應(yīng)的材料指派。
建立梁支座，并將下部支座設(shè)置為固定約束，跨中添加豎直向下的位移，進行混凝土梁的三點彎曲試驗?zāi)M。
對模型進行網(wǎng)格劃分，跨中部分適當加密網(wǎng)格。
創(chuàng)建作業(yè)提交分析并查看結(jié)果。
展開 ABAQUS二維混凝土細觀模型的數(shù)字化重建技術(shù)(二)圖像映射
上篇文章介紹了基于圖像進行混凝土細觀模型的幾何重構(gòu)法，詳細步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數(shù)字化重建技術(shù)(一)幾何重構(gòu)
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細觀模型在ABAQUS中數(shù)字化重建技術(shù)的第二種方法——基于ABAQUS背景網(wǎng)格的圖像映射方法。混凝土圖像前處理部分與第一種方案一致，這里不多做贅述，將處理完成的混凝土圖像通過ABAQUS Image To Part 2D插件進行導(dǎo)入，導(dǎo)入時縮放比例參數(shù)（Scaling）設(shè)置為0.3，可將分辨率為500×500 px的圖像建立尺寸為150×150 mm的試件模型（0.3 = 150/500）。模型建立后采用EasyCDP Mortar&ITZ插件設(shè)置混凝土損傷塑性材料參數(shù)，本案例不考慮骨料的損傷破壞。
設(shè)置分析步、載荷后建立作業(yè)，并在提交作業(yè)前采用ABAQUS CDED插件設(shè)置混凝土開裂。
提交作業(yè)完成模擬分析。
展開 ansys之——混凝土開裂
finish
/clear
/title, fixed - fixed concrete beam example
/prep7
et,1,65
mp,ex,1,3e7 ! steel rebar (units are pounds, inches)
mp,ex,2,1e6, ! concrete
mp,dens,2,.00025
tb,concr,2
tbdata,1,.3,.5,200,4000 ! shear coeffs, tensile and compress strength
r,1,1,.03,0,0 ! mat 1 (steel), 3 percent reinforcement in x dir
r,2,1,.01,0,0 ! mat 1 (steel), 1 percent
r,3,1,.04,0,0 ! mat 1 (steel), 4 percent
block,,100,,5,,5
block,,100,5,10,,5
block,,100,10,15,,5
!vovlap,all
NUMMRG,KP, , , ,LOW
numcmp,volu
esize,5
mat,2 ! concrete material
real,1 ! rebar
vmesh,1
real,2
vmesh,2
real,3
vmesh,3
nsel,s,loc,x
d,all,all
nsel,s,loc,x,100
d,all,all
nsel,all
fini
/solu
nsel,s,loc,y,15
sf,all,pres,100
nsel,all
OUTRES,ALL,ALL,
nsub,10
solve
展開 Abaqus纖維混凝土3D 泡沫混凝土 三維隨機幾何 三維混凝土細觀 多面體骨料建模
模型實例
以下是Abaqus內(nèi)纖維混凝土的模型，纖維是采用三維圓柱體模擬的，混凝土內(nèi)的骨料采用的是實體的球體。纖維及骨料均可設(shè)置不同的尺寸，并且各類型的數(shù)目不受限制，即可設(shè)置多種纖維及球體骨料大小。
研究進展
在Abaqus內(nèi)建立混凝土細觀模型，如鋼纖維混凝土、不干涉球體骨料、多面體骨料模型等，是進行混凝土性能研究的主流方法之一。而在進行Abaqus混凝土細觀模擬時，隨機骨料及隨機纖維等幾何模型的構(gòu)件是主要的難點所在。
為了在Abaqus內(nèi)建立混凝土模型，有學(xué)者采用Abaqus命令的方式，但這需要有一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)，并且需要反復(fù)改參、調(diào)試，極為不便。也有采用Abaqus混凝土建模插件實現(xiàn)的方式，這極大的節(jié)省了模型建立的耗時，如Abaqus混凝土多邊形或Abaqus混凝土三維球體骨料插件等，但其實現(xiàn)的模型較為簡單，幾何模型單一。
建模方案
這里介紹一種通過AutoCAD軟件建立纖維混凝土三維模型后導(dǎo)入到Abaqus內(nèi)的方式。可實現(xiàn)多種混凝土模型的快速構(gòu)建。CAD導(dǎo)入Abaqus的方法簡單，將CAD文件輸出為.sat格式，然后在Abaqus內(nèi)選擇導(dǎo)入部件，選擇對應(yīng)的.sat文件即可。
下面是通過該方法建立的Abaqus隨機幾何模型。
插件介紹
本插件可以生成多種形式的隨機三維幾何，用于Abaqus混凝土模型的建立，也可用于再生骨料混凝土、泡沫混凝土、加氣混凝土等方面。理論上講，只要幾何存在相似性，可進行模型簡化的，均可采用這種方式進行建模。
插件的詳細介紹及下載見下方鏈接：
CAD隨機幾何3D插件
展開 ANSYS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計算介紹
1．概述
開裂計算是工程中比較關(guān)心的問題，但一直是有限元分析的一個難點，涉及到材料本構(gòu)、計算收斂性等諸多問題。ANSYS＋CivilFEM提供了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計算功能，其中土木專用模塊CivilFEM提供的非線性混凝土計算適用于混凝土梁結(jié)構(gòu)的非線性計算（包括開裂），可以直接通過截面定義鋼筋，從而模擬鋼筋混凝土梁。
但對于更一般的結(jié)構(gòu)，用梁單元來模擬不一定合適，需要采用更一般的單元，ANSYS提供了專用的鋼筋混凝土實體單元SOLID65來模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該單元材料采用混凝土材料模型，可定義混凝土的開裂、壓碎準則。
另外可以定義鋼筋方向和體積率，可用來模擬鋼筋混凝土的破壞。本文將通過算例對ANSYS＋CivilFEM開裂計算的效果進行探討，并針對一些計算難點提出初步的解決方案。
2．CivilFEM開裂計算
CivilFEM適合于梁結(jié)構(gòu)開裂分析，另外為了與后面SOLID65單元開裂計算結(jié)果進行比較，先探討了CivilFEM的開裂計算。
CivilFEM開裂計算需要考慮的要點：
1、激活CivilFEM非線性模塊（~CFACTIV,NLC,Y），這是CivilFEM非線性計算的前提。
2、即使事實上為小變形，也必須打開幾何非線性效應(yīng)（NLGEOM,ON），否則無法激活非線性迭代。
3、通常應(yīng)該關(guān)閉求解控制（SOLCONTROL,OFF），由于CivilFEM非線性計算通過修改實常數(shù)的等效方法，自動求解控制反而可能導(dǎo)致發(fā)散。
4、在收斂不好的情況下，可以增加子步數(shù)、打開自動步長（AUTOTS,ON）或可以給定一個比較大的迭代數(shù)（NEQIT,NUM）,以改善收斂，線性搜索有時也可以改善收斂（LNSRCH,ON）。
展開 一維單元模擬混凝土構(gòu)件開裂的解決方案
一、算例背景及分析技術(shù)
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂是廣泛存在的現(xiàn)象，準確的說從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役開始就進入帶裂工作狀態(tài)，只是這種裂縫肉眼難以辨別并且對結(jié)構(gòu)安全沒有影響。但裂縫作為鋼筋混凝土構(gòu)件工作狀態(tài)的重要表征指標，是結(jié)構(gòu)損傷的表現(xiàn)，也許是破壞的先兆，也許是耐久
性不足的預(yù)警，更是災(zāi)后調(diào)查和受力機理揭示的重要線索，見圖1。
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)件進行裂縫估算分析，根據(jù)鋼筋應(yīng)力狀態(tài)計算等效裂縫寬度，并采用Python腳本在ODB結(jié)果文件中創(chuàng)建裂縫場變量，實現(xiàn)在ABAQUS中使用一維單元進行快速分析，并在后處理模塊 顯示等效裂縫寬度的目標。
案例涉及的相關(guān)技術(shù)：
①ABAQUS梁單元Rebar積分點插入；
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)。
計算報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。操作分析要點為：
①ABAQUSABAQUS梁單元Rebar積分點插入；
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、計算任務(wù)
1.模型裝配及接觸連接
計算模型取自《混凝土結(jié)構(gòu)：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》（第六版）習(xí)題8-3。
計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part。截面寬200mm，截面高160mm。因為案例模型較為簡單，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)點建立鋼筋箱型截面單元實現(xiàn)。
展開 ABAQUS混凝土損傷塑性模型-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中C50混凝土-彈模34400Mpa-損傷因子計算及EXCEL
這是我自己計算的2010規(guī)范中ABAQUS混凝土損傷塑性模型-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中C50混凝土-彈模34400Mpa-損傷因子計算及EXCEL
首先用自己的數(shù)據(jù)計算2010規(guī)范中規(guī)定的混凝土本構(gòu)關(guān)系
然后借助文件夾中02版規(guī)范的方法，計算損傷因子。
以后還會有詳細計算方法，此數(shù)據(jù)僅供參考。
2010規(guī)范用C50混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)-彈模34400MPa-帶損傷因子-自己數(shù)據(jù)計算得出.rar
北鯤教程 | 基于擴展有限元的混凝土受力開裂計算分析
本文基于北鯤云云計算平臺模擬混凝土I型開裂行為，主要內(nèi)容包括：混凝土開裂模型介紹、數(shù)值模擬細節(jié)、北鯤云操作方法以及使用感想。
本文講解地模型數(shù)據(jù)選自胡少偉課題組[2]，模型尺寸如下圖所示，彈性模量：30 GPa，泊松比：0.167，抗拉強度：1.65 Mpa，斷裂能：102.8 N/m，預(yù)置裂紋長度為80 mm。
混凝土開裂模型尺寸
Abaqus以非線性計算為自身優(yōu)勢，在眾多有限元軟件中一騎絕塵，本文選用Abaqus作為模擬工具。為減少計算經(jīng)費，可以先使用個人筆記本進行前處理建模，然后在北鯤云平臺進行提交作業(yè)分析。
Ⅰ整體介紹
為減少計算成本，整體采用平面應(yīng)力模型，讀者也可根據(jù)自己需求建立三維實體模型。支座與壓頭使用離散剛體，即剛度無限大，不參與計算過程，不要忽略了剛體的參考點設(shè)置。
圖1 2D三點彎曲梁模型圖
Ⅱ 材料屬性
應(yīng)用Maxps Damage斷裂準則，損傷演化采用以能量線性Linear軟化本構(gòu)，斷裂能參數(shù)輸入至Fracture Energy，粘性系數(shù)Damage Stabilization Cohesive-Viscosity coefficient選用1.0 e-4~1.0 e-5，該選項的作用是幫助收斂，取值范圍是一個經(jīng)驗性的取值，具體的范圍取值可參照Ahmad的建議 [3]。
圖 2 材料屬性設(shè)置
Ⅲ 分析步設(shè)置
圖3 分析步設(shè)置
在斷裂分析中，結(jié)構(gòu)大變形開關(guān)應(yīng)保持開啟(Nlgeom：on)，最大增量步數(shù)可以適當調(diào)整，初始分析步應(yīng)相對減小，使得結(jié)構(gòu)在啟裂階段更容易收斂，最小增量步也應(yīng)適當減小，在這里我設(shè)置的1.0E-12，大家可以試一試別的數(shù)值，最大增量步無實際含義，保持默認值1不變即可。
展開 《Engineering Failure Analysis》：混凝土保護層銹脹開裂細觀力學(xué)模擬
作者所建立的不同保護層厚度下鋼筋混凝土細觀數(shù)值模型如圖1所示，其中混凝土模型的截面尺寸為150mm×150mm，鋼筋直徑為16mm，骨料體積含量為46.5%，保護層厚度分別為20-40mm。
圖1 不同保護層厚度下的鋼筋混凝土細觀模型
不同保護層厚度下混凝土保護層的開裂模式如圖2所示，其中（a）~（d）為各細觀模型對應(yīng)的混凝土宏觀模型，可以看出宏觀和細觀模型的開裂形態(tài)差別很大，宏觀模型下保護層的銹脹裂縫（損傷）呈現(xiàn)出連續(xù)的區(qū)域性分布，而在細觀模型下由于骨料的阻礙作用和界面區(qū)的薄弱性，銹脹裂縫呈現(xiàn)分散的形態(tài)，而且分布裂縫長度也較宏觀模型要長。
圖2 混凝土保護層宏觀模型和細觀模型銹脹開裂形態(tài)對比
作者對每組保護層厚度的鋼筋混凝土試件建立了8個不同骨料分布的數(shù)值模型，計算所得鋼筋邊界銹脹力-徑向位移曲線如圖3所示，可以看出在同保護層厚度不同骨料分布下曲線存在差異，這表明骨料分布對保護層銹脹開裂力學(xué)反應(yīng)有影響。
圖3 各保護層厚度不同骨料分布下的銹脹力-徑向壓力曲線
角部鋼筋的保護層銹脹開裂模擬結(jié)果如圖4所示，可以看出，角部鋼筋處保護層的開裂形態(tài)與中部鋼筋有明顯不同，出現(xiàn)了混凝土角狀脫落的現(xiàn)象，相較于中部鋼筋情形更加危險。
圖4 角部鋼筋混凝土保護層開裂形態(tài)
原始文獻：Du X, Jin L. Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel [J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 39: 21-33.
展開 ANSYS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計算介紹 附ANSYS土木工程應(yīng)用實例下載
此外，SOLID65本身有一些參數(shù)可以增強收斂：
4、指定極小的分布鋼筋體積率（通過單元實常數(shù)），比如1e-6，這不會影響計算結(jié)果，但可以使得開裂后單元具有一個小剛度，不致奇異，從而增強收斂。
5、開裂單元指定適當?shù)募袅鬟f系數(shù)（通過混凝土材料），一般張開裂紋0.1，閉合裂紋1.0，可以極大地提高收斂性。
6、指定開裂起始剛度松弛因子為1.0（通過混凝土材料），并設(shè)SOLID65單元的KEYOPT(7)=1，可以使得開裂后剛度逐漸減小至0，增強收斂。
7、給混凝土指定合理的抗拉強度（通過混凝土材料），可以極大地提高收斂性。
8、為了得到一個好的結(jié)果，在結(jié)構(gòu)主要受彎厚度方向單元不要太少，不要少于4層，8層以上比較好（如本例為8層）。
用SOLID65模擬混凝土，BEAM188單元模擬鋼筋，混凝土給定抗拉強度0.1MPa，對前述算例進行開裂分析，并進行比較。
3.1．SOLID65開裂靜力分析
圖14為計算模型，鋼筋節(jié)點與混凝土節(jié)點之間建立位移約束方程，梁端部建立剛性區(qū)來施加載荷。圖15為鋼筋分布圖，混凝土采用透明來直觀顯示結(jié)構(gòu)。
圖16為載荷達到1500N時混凝土梁軸向正應(yīng)力，固端紅色區(qū)域中除了小部分為小于抗拉強度的受拉區(qū)外，大部分為開裂區(qū)。圖17為相應(yīng)的鋼筋正應(yīng)力。受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為-0.78MPa，受壓鋼筋應(yīng)力為-3.60MPa，受拉鋼筋應(yīng)力為15.7MPa， 拉裂區(qū)應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)。
展開 ABAQUS網(wǎng)格大小對混凝土本構(gòu)模型影響的案例分析 附Abaqus混凝土材料模型解讀與參數(shù)設(shè)置 V2
不知道大家在做混凝土的有限元模擬時有沒有想過一個問題，我們輸入的混凝土本構(gòu)和模型表現(xiàn)出來的本構(gòu)是一樣的嗎？網(wǎng)格大小又對模型表現(xiàn)出來的本構(gòu)有怎樣的影響呢？
本文就以ABAQUS模擬棱柱體混凝土試塊為例，混凝土強度等級為C110，棱柱體尺寸為100mm*100mm*300mm。（就是我們平常做高強混凝土軸心抗壓強度試塊的尺寸）
模擬數(shù)據(jù)
本文采用受壓本構(gòu)數(shù)據(jù)如下：
本文采用受拉本構(gòu)數(shù)據(jù)如下：
模擬時網(wǎng)格分別設(shè)為10mm、30mm、50mm和90mm。
加載方式采用在參考點處施加位移的方式，設(shè)置參考點與棱柱體頂面耦合。
邊界條件設(shè)置為與實際試塊加載的約束條件相同。
模擬結(jié)果
模擬得到的力和位移數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以得到應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線，如下圖。
從模擬結(jié)果來看，網(wǎng)格大小確實對混凝土本構(gòu)有影響。
1，整體趨勢來看，網(wǎng)格越小，混凝土模型表現(xiàn)出的抗壓強度越大，峰值應(yīng)變越小，達到峰值后承載力下降越快，相當于混凝土越脆。
2，網(wǎng)格10mm和網(wǎng)格30mm的本構(gòu)基本完全相同，但10mm網(wǎng)格的計算時間是30mm的8倍。因此采用10mm的網(wǎng)格不太經(jīng)濟。
3，網(wǎng)格10mm和網(wǎng)格30mm的本構(gòu)峰值強度比原始本構(gòu)下降6.6%，網(wǎng)格50mm的下降了10.5%，網(wǎng)格90mm的下降了11.7%。下降幅度倒是差別不大。
所以網(wǎng)格的大小確實會影響模型的響應(yīng)，導(dǎo)致其表現(xiàn)出的本構(gòu)與實際不同。
下載地址：Abaqus混凝土材料模型解讀與參數(shù)設(shè)置 V2
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