混凝土損傷本構(gòu)模型的案例
基于ABAQUS的混凝土損傷本構(gòu)模型與LSDYNA的JHC本構(gòu)模型分析與研究
1問題引出的意義
在土木行業(yè)中，鋼筋混凝土框架仿真模型是一種有限元重要仿真分析模型，基于混凝土框架結(jié)果的模型和分析有助于我們更好了解實際生產(chǎn)中的混凝土框架結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)行為，諸如框架的彈塑性變形、框架的損傷甚至框架的破壞失效。我們知道一個有限元模型的準確性與模擬材料的本構(gòu)模型選取之間具有不可分割的直接關(guān)系，那么就有必要對常見描述混凝土材料的本構(gòu)模型進行對比分析，這也是本案例實施的意義所在。
2研究問題描述
基于上述對混凝土本構(gòu)模型的思考及筆者使用聯(lián)合仿真的經(jīng)驗，對基于ABAQUS的非關(guān)聯(lián)流動法則混凝土損傷模型與基于ANSYS/LSDYNA軟件的JHC本構(gòu)模型進行了理論上的分析，分別通過ABAQUS軟件建立了混凝土框架模型并使用對應(yīng)損傷模型、使用LSDYNA建立混凝土材料的JHC模型，最后對比觀察材料的損傷分布效果。
3混凝土損傷本構(gòu)模型分析
3.1基于ABAQUS的非關(guān)聯(lián)流動法則的混凝土損傷模型
在ABAQUS中，創(chuàng)建混凝土材料的本構(gòu)模型是通過工具箱中的create material命令進行的。模型首先定義混凝土的基本彈性屬性，主要是彈性模量、泊松比、密度。之后再定義混凝土損傷塑性塑性，主要是膨脹角、塑性勢偏移量、雙軸受壓初始屈服應(yīng)力與單軸受壓初始屈服應(yīng)力比值、K值、黏度系數(shù)五個參數(shù)。這些參數(shù)通過查閱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》均可以得到準確的參數(shù)值。最后通過定義混凝土損傷系數(shù)完成整個混凝土本構(gòu)模型的建立，綜上，得出的混凝土材料的本構(gòu)參數(shù)如表1所示。本文以已經(jīng)建立的鋼筋混凝土框架模型為例，在ABAQUS中對其進行混凝土材料本構(gòu)參數(shù)的操作如圖1所示。
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
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，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，在梁的適當部分進行切分。
展開 分享課B1—基于GB50010-2010規(guī)范的混凝土塑性損傷本構(gòu)模型（表格與小程序） ￥69
<p>本課程為分享課B1—基于GB50010-2010規(guī)范的混凝土塑性損傷本構(gòu)模型（表格與小程序），主要分享給從事鋼管混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)研究的學生，科研工作者。</p><div contenteditable="false" width="100%"><figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202412/attachment/6f8a2a5b63024cd088ce6c00c9db0b7f.png" style="text-align: center"><img src="https://img.jishulink.com/202412/attachment/6f8a2a5b63024cd088ce6c00c9db0b7f.png"></figure></div><p><br></p><p><br></p>
展開 ABAQUS混凝土損傷塑性模型損傷因子對本構(gòu)關(guān)系影響 附c40~c45混凝土損傷因子ABAQUS輸入
但是ABAQUS塑性損傷模型除了能模擬單調(diào)加載的混凝土行為外，更重要的功能就是模擬循環(huán)、動態(tài)荷載下的混凝土反應(yīng)，在結(jié)構(gòu)的抗震性能分析能起到很好的作用。
在動荷載作用下，混凝土在受力過程中拉伸和壓縮都會產(chǎn)生損傷造成的裂縫開展，從而導致材料剛度退化。CDP 模型就假定混凝土材料主要因為拉伸開裂和壓縮破碎而破壞，拉伸和壓縮采用不同的損傷因子來描述這種剛度退化，詳見圖 1、圖 2。
圖中E0是材料初始未受損的彈性剛度。損傷變量dc和dt分別為壓縮和拉伸條件下的損傷因子，表示彈性剛度的退化。損傷后的彈性模量為（1-dc）E0，或（1-dt）E0。損傷因子dc或dt=0時表示沒有損傷，dc或dt=1時表示材料失去強度。
那么混凝土的塑性損傷本構(gòu)模型中的損傷因子到底對混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有什么影響呢？讓我們采用100mm*100mm*300mm的混凝土棱柱體模型來做個測試看一下。
依然采用C110級混凝土的本構(gòu)關(guān)系，混凝土的屈服應(yīng)力和非彈性應(yīng)變表格如下。子選項中損傷參數(shù)和非彈性應(yīng)變關(guān)系的表格也在圖中給出。
但是注意上圖中紅色框部分默認是不填的，即下圖中的混凝土壓縮損傷——拉伸恢復(fù)因子wt，混凝土拉伸損傷——壓縮復(fù)原因子wc，默認是不填的。
因為CDP模型假定混凝土從拉伸到壓縮時裂縫會閉合，剛度會恢復(fù)；從壓縮到拉伸時裂縫仍然存在，剛度不會恢復(fù)。因此在ABAQUS中不填的話默認wt(拉伸剛度恢復(fù)因子)=0，wc(壓縮剛性恢復(fù)因子)=1.
下圖為損傷因子和剛度恢復(fù)因子在混凝土載荷循環(huán)中對混凝土本構(gòu)模型的影響。
展開 
混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型在Abaqus中vumat子程序的實現(xiàn)
混凝土彈塑性本構(gòu)
混凝土的受力非線性行為同時包含微裂縫(微缺陷)和塑性流動這兩種微觀機制的影響，導致混凝土材料具有以如下顯著特征：
1)峰值應(yīng)力后存在不穩(wěn)定區(qū)域并伴隨明顯的剛度退化和強度軟化；
2)加卸載時的滯回特性：變形超過定的閥值后，混凝土完全卸載后存在著不可恢復(fù)變形；
3)有側(cè)限(如雙軸受壓應(yīng)力狀態(tài))時材料的強度和延性明顯增大；
4)由于拉應(yīng)力的影響，二維拉壓應(yīng)力下混凝土的受壓強度較一維抗壓強度低，即所謂的拉壓軟化效應(yīng)(vcccllio and Collins，1986)；
5)單邊效應(yīng)：受拉強度和受壓強度明顯不同；損傷特別是受拉時的損傷具有明顯的方向性：荷載反向后受拉裂縫閉合會導致混凝土的剛度恢復(fù)
二。vumat子程序的實現(xiàn)
本文作者根據(jù)上述本構(gòu)，參考如下的子程序編寫流程可以實現(xiàn)vumat子程序的編寫。
從而可以模擬混凝土的塑性損傷，結(jié)果如下所示：
結(jié)果表明，本文所編寫的子程序準確有效。
參考文獻：
吳建營，《基于損傷能釋放率的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型及其在結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用》
最后， 如果您有abaqus二次開發(fā)相關(guān)需求或者擅長某一領(lǐng)域，都可以加入通過公眾號聯(lián)系我們~~
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約束混凝土本構(gòu)，mander混凝土本構(gòu)，自己做的箍筋約束方柱和圓柱本構(gòu)模型，表格只要輸入相關(guān)參數(shù)，自動生成ABAQUS塑性損傷本構(gòu)關(guān)系。
混凝土塑性損傷CDP模型的幾個問題 附2010規(guī)范用C50混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)下載
最后發(fā)布一條訊息：POLARIS_CDP插件升級到V2.3版本，更新內(nèi)容如下：
極限應(yīng)力改為峰值應(yīng)力，并將其默認值顯示在輸入框中，且會將隨彈性模量和強度的變化而變化；
應(yīng)力應(yīng)變曲線不與損傷數(shù)據(jù)一起截斷，取截斷應(yīng)力為峰值應(yīng)力的百分之一；
規(guī)范生成失敗的提示信息。
修改的內(nèi)容不影響原有插件使用，主要提高插件的適應(yīng)性和友好性，需要更新的小伙伴請盡快和我聯(lián)系（需提供技術(shù)鄰購買記錄和信息）。
下載地址：2010規(guī)范用C50混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)
再生混凝土塑性損傷本構(gòu)模型 ￥20
由于再生混凝土相較于普通的混凝土 峰值應(yīng)變更高，所以不可以采用普通的混凝土本構(gòu)，本文檔采取了楊有福的公式，基于韓林海的進行了改進，適合鋼管混凝土構(gòu)件
混凝土塑性損傷本構(gòu)模型-Matlab代碼 ￥50
本塑性損傷本構(gòu)模型參照規(guī)范GB50010-2010（2015版），根據(jù)代碼注釋修改參數(shù)即可直接計算應(yīng)力，應(yīng)變和損傷因子具體數(shù)值以及繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和損傷因子曲線。損傷因子的計算參照Sidiroff的能量等價原理，主要應(yīng)用于ABAQUS中混凝土材料屬性中塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和損傷因子的取值。下載包中還自帶規(guī)范PDF完整版。
如有需求，本人可提供相關(guān)abaqus技術(shù)指導。
下圖為利用本代碼所計算得出的C40標號混凝土材料受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及損傷因子曲線：
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<p class="ql-align-justify">本內(nèi)容基于韓林海的約束混凝土模型所制作的Excel，可用于將其輸入直接到ABAQUS中，用于建立鋼管約束混凝土型，具體如下：</p><p class="ql-align-justify">模型介紹：</p><p class="ql-align-justify">本模型基于<span style="color: rgb(25, 27, 31);">韓林海</span>所開發(fā)的約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，以及損傷因子，其中受壓本構(gòu)以及受拉本構(gòu)以及其損傷因子均有，且附帶鋼材料的二次流塑模型，可直接輸入abaqus進行分析，均具有完美下降段。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png?
展開 求一份Q235損傷本構(gòu)，鋼管約束混凝土c40本構(gòu)
求一份Q235損傷本構(gòu)，鋼管約束混凝土c40本構(gòu)，謝謝！
Abaqus通過VUMAT子程序?qū)崿F(xiàn)混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構(gòu)模型
混凝土在外載荷作用下的非線性行為中同時包含微裂縫和塑性流動這兩種微觀機制的影響。在考慮混凝士等準脆性材料的非彈性力學行為方面，連續(xù)損傷力學模型可以通過不同的方式來描述材料剛度和強度的退化以及單邊效應(yīng)。真正意義上的彈塑性損傷本構(gòu)模型：不僅考慮卸載時不可恢復(fù)塑性變形的影響，而且還應(yīng)該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應(yīng)。
彈性階段應(yīng)力應(yīng)變滿足如下關(guān)系
通過對應(yīng)力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應(yīng)力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應(yīng)力的正負分解。
拉壓屈服函數(shù)如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預(yù)測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應(yīng)力空間進行譜分解，結(jié)合徑向返回算法，本文編寫了混凝土彈塑性損傷的VUMAT子程序。
通過對單胞的單向拉壓模擬可以計算得到混凝土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)如下圖所示。
拉伸損傷演化過程
壓縮損傷演化過程
不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
展開 Abaqus通過VUMAT子程序?qū)崿F(xiàn)混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構(gòu)模型
混凝土在外載荷作用下的非線性行為中同時包含微裂縫和塑性流動這兩種微觀機制的影響。在考慮混凝士等準脆性材料的非彈性力學行為方面，連續(xù)損傷力學模型可以通過不同的方式來描述材料剛度和強度的退化以及單邊效應(yīng)。真正意義上的彈塑性損傷本構(gòu)模型：不僅考慮卸載時不可恢復(fù)塑性變形的影響，而且還應(yīng)該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應(yīng)。
彈性階段應(yīng)力應(yīng)變滿足如下關(guān)系
通過對應(yīng)力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應(yīng)力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應(yīng)力的正負分解。
拉壓屈服函數(shù)如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預(yù)測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應(yīng)力空間進行譜分解，結(jié)合徑向返回算法，本文編寫了混凝土彈塑性損傷的VUMAT子程序。
通過對單胞的單向拉壓模擬可以計算得到混凝土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)如下圖所示。
拉伸損傷演化過程
壓縮損傷演化過程
不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
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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
展開 混凝土塑性損傷本構(gòu)生成程序
本帖最后由 sunshine.zhou 于 2014-11-19 18:07 編輯
附件是混凝土材料塑性損傷本構(gòu)生成程序。本構(gòu)模型目前引入了兩種：
1.GB50010-2010規(guī)范推薦的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，適用于C80以下的混凝土；
2.丁發(fā)興-余志武推薦的統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系，適用于C140以下的混凝土。
同時引入了三種混凝土損傷因子計算方法
1.Sidoroff能量等效原理計算方法
2.圖解法
3.混凝土規(guī)范GB50010-2010附錄推薦方法
規(guī)范給出的損傷定義與ABAQUS中的損傷定義不同，但可以利用其關(guān)系轉(zhuǎn)化。另外規(guī)范沒有給出受拉損傷計算方法，這里參照受壓損傷計算方法給出了受拉損傷的計算方法。
該程序可以輸出以工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取得的ABAQUS本構(gòu)，也可以輸出以真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取得的ABAQUS本構(gòu)。
建議采用后者。不過兩者影響差別較小。
CreatMaterial_BySunshineChow[2014-11-19].rar
CreatMaterial_BySunshineChow[X86].rar
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