ansys計(jì)算混凝土的案例
ANSYS預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土耦合造成應(yīng)力集中的一種解決方法
最近看文獻(xiàn)，偶然看到了長(zhǎng)沙大學(xué)黃文雄的一篇文章《混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析中預(yù)應(yīng)力筋模擬的新思考》，挺有意思，在此拆解分享，點(diǎn)擊上面的文章標(biāo)題可以去CNKI下載(沒有數(shù)據(jù)庫(kù)支持的朋友可以給我發(fā)郵件)。
問題描述
用ANSYS計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土非線性有限元問題時(shí)，混凝土采用三維Solid單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用線性的Link單元。常規(guī)做法是分別建模，用耦合的方法使鋼筋和混凝土單元協(xié)調(diào)工作。
于是，問題出現(xiàn)了，當(dāng)二維單元和三維單元進(jìn)行耦合的時(shí)候，在耦合點(diǎn)處“天然出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象”，而且應(yīng)力集中對(duì)整體有限元計(jì)算精度的影響隨著單元尺度劃分的不同而不同。
作者還提供的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如下：
原因分析
1.沿梁縱向，恰好也是鋼筋線性單元的布置方向，所以此方向上的應(yīng)力和跨中撓度受單元?jiǎng)澐殖叨扔绊懞苄。?2.沿梁豎向，曲線預(yù)應(yīng)力有豎彎構(gòu)造時(shí)，單元?jiǎng)澐殖叨葘?duì)豎向應(yīng)力影響較大；
3.沿梁橫向，曲線預(yù)應(yīng)力有橫彎構(gòu)造時(shí)，單元?jiǎng)澐殖叨葘?duì)豎向應(yīng)力影響較大；
4.當(dāng)曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋的彎折半徑較小時(shí)，彎折區(qū)域應(yīng)力集中可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。
解決方案
作者提出了一個(gè)解決方案：用三維Solid單元代替二維單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋。并且通過對(duì)比計(jì)算得出以下結(jié)論：
1.沿跨度縱向方向”當(dāng)單元?jiǎng)澐殖叨冗m宜時(shí)”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘜?duì)于特征應(yīng)力影響微乎其微；
2.沿截面豎向方向”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘯r(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率約在5%以內(nèi)；
3.沿截面橫向方向”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘯r(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率約在10%以內(nèi)，當(dāng)單元?jiǎng)澐殖叨冗x取適宜時(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率可控制在
5%左右。
至此，耦合產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題基本解決。
展開 ABAQUS混凝土損傷塑性模型-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中C50混凝土-彈模34400Mpa-損傷因子計(jì)算及EXCEL
這是我自己計(jì)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(jì)規(guī)范中C50混凝土-彈模34400Mpa-損傷因子計(jì)算及EXCEL
首先用自己的數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算損傷因子。
以后還會(huì)有詳細(xì)計(jì)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(jì)算得出.rar
展開 基于ANSYS的大體積混凝土水化熱分析
何謂大體積混凝土，英文是concrete in mass，我國(guó)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB50496-2018里規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。----引自百度百科。
通俗來說，對(duì)于澆筑尺寸邊長(zhǎng)大于1m的混凝土構(gòu)筑物，都可以當(dāng)做大體積混凝土。在實(shí)際工程中，大體積混凝土廣泛應(yīng)用于船塢、船閘、橋墩、閘底板、大壩等工程。如下述圖片所示
大型水利樞紐--圖片源于網(wǎng)絡(luò)。
橋墩--圖片源于網(wǎng)絡(luò)。
船閘模型示例--圖片源于網(wǎng)絡(luò)。
澆筑中的基礎(chǔ)--圖片源于網(wǎng)絡(luò)。
大體積混凝土由于體積厚大，導(dǎo)熱系數(shù)較低，容易生產(chǎn)溫度裂縫。但由于水泥水化過程中，系統(tǒng)的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等參數(shù)隨時(shí)間都有明顯變化。下面說下ANSYS中如何進(jìn)行水化熱分析。
利用ANSYS進(jìn)行水化熱分析時(shí)，一般分兩步走：第1步，采用溫度場(chǎng)單元進(jìn)行水化熱溫度場(chǎng)分析；第2步，將前面所得到的的溫度場(chǎng)分析結(jié)果轉(zhuǎn)為應(yīng)力場(chǎng)，施以相應(yīng)的邊界條件，然后進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析。
利用 ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，對(duì)于三維實(shí)體單元，通常采用SOLID70 ，通過查看幫助文檔或者教程，可知該單元有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度，具有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力，并能實(shí)現(xiàn)勻速熱流的傳遞。該單元可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，同時(shí)此單元也可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
solid70單元
用ANSYS計(jì)算大體積混凝土溫度場(chǎng)的目的是以此為基礎(chǔ)來計(jì)算溫度應(yīng)力。因此計(jì)算大體積混凝土三維溫度場(chǎng)時(shí)可選取三維實(shí)體熱單元SOLID70，該單元可以在前處理器通過“ETCHG,TTS”命令進(jìn)行單元轉(zhuǎn)換，原來的熱單元SOLID70 將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元SOLID45，以方便接下來的溫度應(yīng)力計(jì)算。
展開 ansys進(jìn)行混凝土的損傷計(jì)算
經(jīng)過ANSYS計(jì)算（未進(jìn)行循環(huán)加載，一次性加載到最大，位移控制），結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，荷載位移曲線擬合度較好。
等效塑性應(yīng)變?cè)茍D
原試驗(yàn)與模擬對(duì)比
試驗(yàn)試件尺寸
原文提供的部分混凝土參數(shù)
總體損傷云圖
模型
ANSYS結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比
ANSYS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計(jì)算介紹 附ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例下載
1．概述
開裂計(jì)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(gè)難點(diǎn)，涉及到材料本構(gòu)、計(jì)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(jì)算功能，其中土木專用模塊CivilFEM提供的非線性混凝土計(jì)算適用于混凝土梁結(jié)構(gòu)的非線性計(jì)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(duì)于更一般的結(jié)構(gòu)，用梁?jiǎn)卧獊砟M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(shí)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(zhǔn)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(duì)ANSYS＋CivilFEM開裂計(jì)算的效果進(jìn)行探討，并針對(duì)一些計(jì)算難點(diǎn)提出初步的解決方案。
展開 ANSYS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計(jì)算介紹
1．概述
開裂計(jì)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(gè)難點(diǎn)，涉及到材料本構(gòu)、計(jì)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(jì)算功能，其中土木專用模塊CivilFEM提供的非線性混凝土計(jì)算適用于混凝土梁結(jié)構(gòu)的非線性計(jì)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(duì)于更一般的結(jié)構(gòu)，用梁?jiǎn)卧獊砟M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(shí)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(zhǔn)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(duì)ANSYS＋CivilFEM開裂計(jì)算的效果進(jìn)行探討，并針對(duì)一些計(jì)算難點(diǎn)提出初步的解決方案。
2．CivilFEM開裂計(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，先探討了CivilFEM的開裂計(jì)算。
CivilFEM開裂計(jì)算需要考慮的要點(diǎn)：
1、激活CivilFEM非線性模塊（~CFACTIV,NLC,Y），這是CivilFEM非線性計(jì)算的前提。
2、即使事實(shí)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(jì)算通過修改實(shí)常數(shù)的等效方法，自動(dòng)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(dòng)步長(zhǎng)（AUTOTS,ON）或可以給定一個(gè)比較大的迭代數(shù)（NEQIT,NUM）,以改善收斂，線性搜索有時(shí)也可以改善收斂（LNSRCH,ON）。
展開 啥叫“約束混凝土”，你懂么？ 附約束混凝土Mander本構(gòu)計(jì)算表格下載
下載地址：約束混凝土Mander本構(gòu)計(jì)算表格
ANSYS混凝土三維隨機(jī)骨料 混凝土細(xì)觀 隨機(jī)球體 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料建模
研究進(jìn)展
通過ANSYS進(jìn)行混凝土細(xì)觀模型的構(gòu)建是進(jìn)行混凝土性能分析的有效方法，在ANSYS內(nèi)構(gòu)建混凝土細(xì)觀模型是分析的前提。現(xiàn)階段在ANSYS內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)混凝土模型構(gòu)建的主流方法是通過APDL命令流等形式，這要求研究者應(yīng)具有一定的程序設(shè)計(jì)能力。
為了方便快捷的構(gòu)建出混凝土細(xì)觀幾何模型，這里提出另一種建模方案，通過AutoCAD模型導(dǎo)入的方式，實(shí)現(xiàn)無編程構(gòu)建混凝土隨機(jī)骨料。
模型構(gòu)建
1、CAD模型生成
首先采用CAD隨機(jī)球體顆粒插件在AutoCAD內(nèi)構(gòu)建三維球體幾何模型：
插件可指定生成隨機(jī)分布的不相交的球體顆粒，同時(shí)生成與球體顆粒裝配的帶有孔洞的長(zhǎng)方體基體。同時(shí)對(duì)顆粒的粒徑大小、比例等都能進(jìn)行控制。
將生成的三維球體幾何模型導(dǎo)出為.sat格式文件備用。
2、ANSYS Workbench 導(dǎo)入
打開ANSYS Workbench，在幾何內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)入預(yù)先保存的.sat文件：
后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作，在ANSYS Workbench內(nèi)進(jìn)行即可：
插件下載
建模用到的CAD插件下載：
CAD隨機(jī)球體顆粒插件
展開 在Abaqus軟件中計(jì)算礫石床對(duì)混凝土擋土墻的側(cè)壓力
在Abaqus軟件中計(jì)算礫石床對(duì)混凝土擋土墻的側(cè)壓力
在下圖中，您可以看到一個(gè)高度為3米的沙丘，由一個(gè)混凝土擋土墻固定。在這個(gè)例子中，挖掘面上施加了7千帕的頂部壓力。
為了解決這個(gè)問題，使用了兩個(gè)分析步，在第一步施加了載荷的重量和壓力，第二步是混凝土擋土墻的位移。
這是從Sample Glenn的第7章的例子3中選擇并用Abaqus軟件編寫的。在這個(gè)例子中，我們將Abacus軟件的結(jié)果與Sam Helleny的書的結(jié)果進(jìn)行了比較。
在下圖中，您可以看到執(zhí)行器故障期間凹痕處塑性應(yīng)變的分布。
該任務(wù)的目的是在三種條件下獲得側(cè)壓力
第一模式：
靜止土壓力
當(dāng)擋土墻無法向后移動(dòng)或朝向溝渠移動(dòng)時(shí)，土壤上的壓力仍然存在。
在這個(gè)問題的模擬的第一部分中，我們使用Abaqus軟件計(jì)算下降狀態(tài)下土壤的相鄰側(cè)向載荷，并將其與Sam 與Helewani的書的答案進(jìn)行比較。
在下圖中，您可以看到樣本簿中找到的停滯狀態(tài)的并排副作用圖
在下圖中，您可以看到從Abaqus軟件獲得的基臺(tái)側(cè)波動(dòng)圖
第二種模式
土壓力或主動(dòng)土壓力
當(dāng)擋土墻具有向后移動(dòng)并遠(yuǎn)離土壤背面的能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生土壤壓力。
在這個(gè)問題的模擬的第二部分中，我們使用Abacus軟件計(jì)算土壤抑制器的超導(dǎo)性，并將其與Sam Helleny的書的結(jié)果進(jìn)行比較。
展開 ABAQUS混凝土損傷塑性模型-C30EXCEL計(jì)算表格（含計(jì)算結(jié)果） ￥3.7
計(jì)算表格（如下）中標(biāo)黃部分的參數(shù)可自行設(shè)定后，EXCEL程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算“抗拉強(qiáng)度、非彈性應(yīng)變、受拉損傷因子”。
ansys之——在ANSYS如何考慮混凝土
我最近在用ANSYS模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的梁，混凝土用SOLID65單元，鋼筋用Link8單元（1），采用以下命令流定義：
......
et,1,65,,,,,2,,1
et,2,link8
mp,ex,1,2.134e4
mp,nuxy,1,0.2
TB,CONC,1
TBDATA,,0.3,0.5,2.45,24.5
mp,ex,2,1.914e5
mp,nuxy,2,0.3
TB,BISO,2,1,2,
TBTEMP,0
TBDATA,,662,0,,,,
R,1
R,2,2580/3
........
大致碰到以下幾個(gè)問題：
（1）：混凝土的幾個(gè)參數(shù)，剪切縮減系數(shù)不知如何取值，系數(shù)對(duì)結(jié)果有何影響？
（2）：混凝土采用以上定義方式是不是就可以了，需不需要定義屈服準(zhǔn)則，以及輸入
混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如何輸入？如以上定義可以，不知道ANSYS是如何定義混凝土的
特性的，因?yàn)槲蚁?em>混凝土種類很多，就用以上幾個(gè)參數(shù)就可以定義嗎？我心里沒有譜；
（3）：采用以上定義，我計(jì)算了一根梁，分為考慮混凝土壓碎和不考慮混凝土壓碎。考慮混凝土壓碎時(shí)，得出的極限荷載比實(shí)際的要小，但混凝土的壓應(yīng)力不超過抗壓強(qiáng)度；不考慮混凝土壓碎，得到的極限荷載較為接近實(shí)際值，但混凝土的最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗壓強(qiáng)度；并且得不到開裂破碎圖。我就不知道，如何得到極限荷載又可以得到開裂破碎圖？
1）：分析混凝土結(jié)構(gòu)，選擇合理的材料特性是建立模型的關(guān)鍵，所以有必要弄清混凝土的材料特性。混凝土是脆性材料,并具有不同的拉伸和壓縮特性。典型混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的8％-15%。
展開 
ABAQUS混凝土損傷塑性模型-C30EXCEL計(jì)算表格（含計(jì)算結(jié)果）
這是根據(jù)GB50010-2010中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的混凝土本構(gòu)模型，結(jié)合文獻(xiàn)所述的損傷因子定義，編制的計(jì)算C30混凝土非彈性應(yīng)變和損傷因子的EXCEL表格。也是邊學(xué)變做，希望能和大家多交流。
C30砼本構(gòu)（損傷塑性模型）.rar
ABAQUS混凝土損傷塑性損傷因子計(jì)算依據(jù).rar
SimSolid模型鋼筋混凝土承臺(tái)計(jì)算
計(jì)算結(jié)果
得到計(jì)算結(jié)果后先看看樁底反力：
圖1.5 樁底反力（單位：N）
樁底最大反力為3.9629e7N=39629kN=3963t，與其他程序計(jì)算的樁底反力基本接近。
由于為混凝土結(jié)構(gòu)，主要關(guān)心混凝土關(guān)鍵部位：底面拉應(yīng)力情況，僅列出該應(yīng)力如下：
圖1.6 承臺(tái)底面橫橋向（Y方向）拉應(yīng)力（單位：MPa）
從上圖可知承臺(tái)底面橫橋向（Y方向）拉應(yīng)力為3.93MPa，壓應(yīng)力為1.96 Mpa。
圖1.7 承臺(tái)底面橫橋向（Y方向）拉應(yīng)力（單位：MPa）
從上圖可知承臺(tái)底面橫橋向（Y方向）關(guān)心區(qū)域的拉應(yīng)力為2.8～3.9MPa。超過C40 混凝土標(biāo)準(zhǔn)值2.65Mpa較多，混凝土承臺(tái)底面已經(jīng)開裂。
圖1.8 鋼筋的等效應(yīng)力圖（單位：MPa）
從上圖可知鋼筋的等效應(yīng)力最大值為22.6MPa。
總體感覺：SimSolid計(jì)算速度更快，將自適應(yīng)次數(shù)調(diào)整到8后計(jì)算精度較為滿意。
展開 Mander混凝土本構(gòu)約束強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算
前言
最近在整理混凝土本構(gòu)關(guān)系的時(shí)候，發(fā)現(xiàn) Mander 模型中約束混凝土強(qiáng)度
這個(gè)參數(shù)確定十分繁瑣，需要首先根據(jù)公式計(jì)算出兩個(gè)方向的約束系數(shù)
，
，然后通過查圖得到約束強(qiáng)度系數(shù)
，如果這個(gè)參數(shù)確定，那么就可以很容易的畫出約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。
查圖不方便使用，并且精度不高，因此編寫了程序“Mander 混凝土本構(gòu)約束強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算（Mander Confined Strength Ratio）”，可以很方便的計(jì)算約束強(qiáng)度系數(shù)
，并且可以導(dǎo)出曲線數(shù)據(jù)。
鋼管混凝土(CFST)受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算
3.1 單管CFST軸心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算
(1) 鋼管初應(yīng)力折減系數(shù)Kp
鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前空鋼管的應(yīng)力稱為鋼管初應(yīng)力。為了反映鋼管初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力的影響，承載力計(jì)算中采用了鋼管初應(yīng)力折減系數(shù)Kp.
(2) 鋼管內(nèi)混凝土脫空折減系數(shù)Kd
鋼管內(nèi)混凝土脫空是鋼管內(nèi)壁與鋼管內(nèi)混凝土出現(xiàn)局部脫離的現(xiàn)象，鋼管混凝土拱橋主拱等受壓構(gòu)件多出現(xiàn)球冠形的鋼管內(nèi)混凝土脫空現(xiàn)象。產(chǎn)生鋼管內(nèi)混凝土脫空現(xiàn)象的主要原因是過大的鋼管內(nèi)混凝土收縮和向鋼管內(nèi)壓筑混凝土的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)銜接出現(xiàn)問題。鋼管內(nèi)混凝土脫空對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件承載力和剛度有一定影響，在鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力計(jì)算中要考慮。鋼管內(nèi)混凝土脫空折減系數(shù)Kd 取0.95。
(3) 鋼管混凝土組合軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsc
鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力計(jì)算中規(guī)定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，計(jì)算表達(dá)式為
3.2 單管CFST偏心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算
4 CFST構(gòu)件的一般構(gòu)造要求
(1) 鋼管可宜采用卷制焊接直縫管、也可采用螺旋形縫焊接管和無縫鋼管。焊縫必須采用對(duì)接焊縫，并達(dá)到與母材等強(qiáng)的要求。
(2) 鋼管材料可選用Q235、Q345或Q390，質(zhì)量等級(jí)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選用B級(jí)或B級(jí)以上。
(3) 混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，應(yīng)符合承載力的要求，并與鋼管的鋼號(hào)相匹配，其強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30。一般情況下，Q235鋼材宜配C30或C40級(jí)混凝土；Q345鋼宜配C40、C50或C60級(jí)混凝土；Q390鋼材宜配C50或C60級(jí)以上的混凝土。
(4) 鋼管接長(zhǎng)時(shí)，如管徑不變，宜采用等強(qiáng)度的坡口焊縫；如管徑改變，可采用法蘭盤和螺栓連接，法蘭盤應(yīng)采用帶孔板，使管內(nèi)混凝土保持連續(xù)。
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