抗震彈塑性的案例
【JY】ETABS與Perform3D彈塑性分析功能對(duì)比示例
ETABS也是國(guó)內(nèi)工程師們熟知的多高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件，抗震、減隔震的彈塑性分析一直是ETABS優(yōu)勢(shì)功能之一。
從ETABS2016版本開始，ETABS不斷借鑒Perform-3D的功能特點(diǎn)加強(qiáng)完善性能化設(shè)計(jì)相關(guān)的功能，并進(jìn)一步提升彈塑性分析效率。
當(dāng)前的ETABS 目前已經(jīng)融合了Perform-3D許多特色功能，建筑結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評(píng)估也成為ETABS的功能亮點(diǎn)。
對(duì)此，不少用戶關(guān)心兩個(gè)產(chǎn)品在這方面的使用方法和應(yīng)用體驗(yàn)有什么區(qū)別。（目前ETABS的分析功能基本與Perform-3D融合）
本文試圖從一個(gè)簡(jiǎn)單例子入手，對(duì)比ETABS v18.1.0和Perform-3D v7抗震彈塑性分析的相關(guān)功能，從應(yīng)用的角度帶來一些直觀的認(rèn)識(shí)，供工程師們使用產(chǎn)品時(shí)參考。
1、模型概況
本例為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，規(guī)則對(duì)稱。本文借用這個(gè)例子來展示功能，并不探討結(jié)構(gòu)本身的合理性。
該模型的
框架梁端指定了
塑性鉸（彎矩鉸）
，
框架柱兩端指定了纖維鉸
，施加雙向地震時(shí)程作用。分別獨(dú)自建立ETABS模型（圖1）和Perform3D模型（圖2），并盡量保證兩個(gè)模型的一致性。表1、圖3~圖5是部分計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看到兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果吻合得較好。下文將逐一對(duì)比介紹模型的設(shè)置及相應(yīng)的軟件功能。
圖1 ETABS模型
圖2 Perform-3D模型
圖3 層間位移角
圖4 X方向基底剪力
圖5 頂點(diǎn)位移
2、非線性分析設(shè)置
2.1材料本構(gòu)
本例使用的材料有C30、C35和HRB400。材料的非線性參數(shù)主要包括：
應(yīng)力-應(yīng)變曲線、可接受準(zhǔn)則和滯回模型
。材料的可接受準(zhǔn)則通過材料應(yīng)變來定義，用于使用纖維單元的構(gòu)件性能評(píng)估。以下以C30為例對(duì)比本例材料參數(shù)的設(shè)置。
展開 發(fā)了那么多SCI，有興趣了解一下“SCI效應(yīng)”么？ | 新論文：考慮“場(chǎng)地-城市效應(yīng)”的區(qū)域建筑震害
A numerical coupling scheme for nonlinear time history analysis of buildings on a regional scale considering site‐city interaction effects
Earthquake Engineering ＆ Structural Dynamics, 2018,
https://doi.org/10.1002/eqe.3108
說明：“SCI效應(yīng)”即“Site-City Interaction效應(yīng)”，也就是“場(chǎng)地-城市效應(yīng)”
一、研究背景
近幾年我們課題組開展了不少“城市抗震彈塑性分析”的研究，可以得到一些典型城市區(qū)域建筑物在地震下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖1）。
圖1 城市抗震彈塑性分析得到城市區(qū)域建筑地震響應(yīng)
可是，當(dāng)我們向非專業(yè)人事介紹我們的研究工作時(shí)，常常收到的反饋是：“你們不是研究地震的么？為什么只看到房子在晃，沒有看到地在動(dòng)啊？”
當(dāng)然，我們可以答復(fù)，根據(jù)D'Alembert's principle，在一個(gè)慣性系里面，可以把動(dòng)力作用等效成一個(gè)慣性力施加在研究對(duì)象上，于是……，但是我們收到的反饋往往是
事實(shí)上，我們?cè)谵q解的時(shí)候，存在著一個(gè)重要的原則問題：我們目前地震計(jì)算，都是把“自由”場(chǎng)地上得到的地震動(dòng)，直接施加到建筑物上去做計(jì)算的。這個(gè)過程中，完全忽視了地上建筑物對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的影響。而我們都知道，在風(fēng)工程中，城市密集建筑物會(huì)對(duì)風(fēng)速剖面產(chǎn)生顯著影響（圖2）。而在地震工程中，這個(gè)影響是完全忽略的，無論是對(duì)于存在密集建筑物的城市，還是對(duì)于空曠的山野，我們都是用“自由場(chǎng)”地震輸入來進(jìn)行抗震計(jì)算。
展開 梁?jiǎn)卧?em>彈塑性-彈塑性梁?jiǎn)卧陂L(zhǎng)度上任意位置都會(huì)考慮塑性嗎
當(dāng)時(shí)需要采用Sap2000和Perform 3d進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性和動(dòng)力彈塑性分析。當(dāng)時(shí)我和同學(xué)說：在Sap2000中，梁?jiǎn)卧?em>彈塑性是通過塑性鉸定義的，在定義時(shí)需要指定塑性鉸的具體位置，比如在梁?jiǎn)卧膬啥嘶蛘呤侵虚g任意位置定義相應(yīng)的塑性鉸，軟件在計(jì)算時(shí)就會(huì)考慮這些塑性鉸的屬性而實(shí)現(xiàn)材料非線性。同學(xué)當(dāng)時(shí)使用的軟件是Ansys/apdl，他表示很不屑：那Sap2000不行啊，Ansys的梁?jiǎn)卧?em>彈塑性并不需要指定塑性鉸，直接對(duì)梁指定彈塑性材料就可以實(shí)現(xiàn)彈塑性，很顯然Ansys更合理。我當(dāng)時(shí)十分認(rèn)同，認(rèn)為在Sap2000中，如果實(shí)際中梁的中點(diǎn)處出現(xiàn)塑性，僅在兩端設(shè)置塑性鉸顯然無法捕捉到這個(gè)塑性，而如果采用Ansys，梁?jiǎn)卧L(zhǎng)度方向上任意位置進(jìn)入塑性均可以捕捉到。
在后來對(duì)有限元和梁?jiǎn)卧牟粩鄬W(xué)習(xí)中，實(shí)際上對(duì)于這個(gè)問題已經(jīng)有了更進(jìn)一步的思考。實(shí)際上，即使在Abaqus和Ansys中，對(duì)于梁?jiǎn)卧膊皇窃陂L(zhǎng)度方向上任意位置進(jìn)入塑性均可直接捕捉到的。在大部分的有限元軟件中，在梁長(zhǎng)度方向上會(huì)設(shè)置若干個(gè)積分點(diǎn)，計(jì)算時(shí)僅僅會(huì)捕捉積分點(diǎn)的應(yīng)力判斷是否進(jìn)入塑性。
例如，對(duì)于abaqus的B33單元，在長(zhǎng)度方向上有3個(gè)高斯積分點(diǎn)。其具體位置為：(0.1127016L，0.5L，0.887298L)；對(duì)于B31，在長(zhǎng)度方向上僅一個(gè)高斯積分點(diǎn)，位置為中點(diǎn)處。
以下圖的B33為例：
長(zhǎng)度為1m，截面為0.1m*0.1m的梁采用1個(gè)B33單元，左端約束，右端施加豎向荷載Fz=1N.
計(jì)算完成后查詢積分點(diǎn)的S11應(yīng)力值：
按照前文提到的長(zhǎng)度方向積分點(diǎn)的位置為：(0.1127016L，0.5L，0.887298L)，則三個(gè)積分點(diǎn)處的應(yīng)力（截面頂或者底）計(jì)算為:
同理可計(jì)算M2和M3，結(jié)果均與abaqus查詢的結(jié)果一致。
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一、 構(gòu)件仿真（熱力耦合、擬靜力、屈曲、動(dòng)力響應(yīng)等）
（1）徐亞豐《高等土木工程結(jié)構(gòu)（ABAQUS模擬實(shí)驗(yàn)/實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)）》
這本書包含5個(gè)例子：
（a）碳纖維鋼骨-鋼管混凝土組合柱受力性能分析
（b）復(fù)式鋼管混凝土柱與鋼梁空間節(jié)點(diǎn)抗震性能分析
（c）L形鋼管混凝土芯柱溫度場(chǎng)及耐火性能分析
（d）爆炸荷載作用下T形鋼管混凝土芯柱動(dòng)力響應(yīng)模擬
（e）十字形鋼管混凝土芯柱側(cè)向沖擊作用的動(dòng)力響應(yīng)分析
（2）王玉鐲 《ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解》
這本書包含鋼柱屈曲分析、鋼節(jié)點(diǎn)擬靜力分析、橋面板屈曲、梁的溫度場(chǎng)分析、剪力墻Pushover等。
二、結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析
（1）ABAQUS 結(jié)構(gòu)工程實(shí)例建模教程（大連理工大學(xué)工程抗震研究所）
（2）陸新征《建筑抗震彈塑性分析：原理、模型與在ABAQUS，MSC.MARC和SAP2000上的實(shí)踐》
（3）徐珂《ABAQUS建筑結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用》
（4）上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)有限公司技術(shù)中心《動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》
（5）張瑾《動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的理解與應(yīng)用》
三、巖土工程
（1）王金昌《ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用》
（2）朱以文《ABAQUS與巖土工程分析》
（3）費(fèi)康《ABAQUS巖土工程實(shí)例詳解》
四、Python與ABAQUS
（1）曹金鳳《Python語言在Abaqus中的應(yīng)用》
（2）蘇景鶴《ABAQUS Python二次開發(fā)攻略》
五、理論與操作也可看：
（1）石亦平《ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解》
（2）曹金鳳《ABAQUS有限元分析常見問題解答》
（3）莊茁《ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例》
ABAQUS在土木仿真學(xué)習(xí)中用到的學(xué)習(xí)資料，可以去我上傳的文檔里下載，資料較全。
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線性強(qiáng)化彈塑性umat子程序系列-彈塑性理論基礎(chǔ) ￥4
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ABAQUS 建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析、靜力彈塑性Pushover分析、模態(tài)分析
ABAQUS軟件
建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析、靜力彈塑性Pushover分析、模態(tài)分析
剪力墻擬靜力加載
建模及結(jié)構(gòu)后處理
以上內(nèi)容，歡迎各位的留言交流，也可提供答疑服務(wù)！
螺栓連接的彈塑性變形分析 附線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性理論基礎(chǔ)下載
工程數(shù)據(jù)模塊提供了雙線性和多線性等向強(qiáng)化彈塑性模型。
對(duì)線性隨動(dòng)強(qiáng)化, 屈服面在塑性流動(dòng)過程中進(jìn)行剛體平移。
屈服后最初的各向同性塑性行為不再各向同性 (隨動(dòng)強(qiáng)化是各向異性強(qiáng)化的一種形式)
彈性區(qū)等于 2 倍的初始屈服應(yīng)力，這稱為包辛格效應(yīng)。
Chaboche Test Data
Uniaxial Plastic Strain Test Data
(單軸塑性應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)) Plasticity（塑性模型）
-Bilinear Isotropic Hardening(雙線性等向強(qiáng)化)
-Multilinear Isotropic Hardening (多線性等向強(qiáng)化)
-Bilinear Kinematic Hardening(雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化)
-Multilinear Kinematic Hardening (多線性隨動(dòng)強(qiáng)化)
-Chaboche Kinematic Hardening （非線性隨動(dòng)強(qiáng)化）
-Anand Viscoplasticcity(Anand粘塑性模型)
所有的彈塑性模型，必須輸入材料的彈性模量和泊松比
3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法
在ANSYS Workbench中的工程數(shù)據(jù)模塊中，彈塑性模型可以通過塑性應(yīng)變與應(yīng)力定義，因此需要使用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換
下載地址：線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性理論基礎(chǔ)
展開 20181016新疆精河縣5.4級(jí)地震破壞力分析
圖1 65KTU臺(tái)站位置
(a) EW方向
(b) NS方向
(c) UD方向
圖2 65KTU臺(tái)站地面運(yùn)動(dòng)記錄
圖3 65KTU臺(tái)站地面運(yùn)動(dòng)記錄反應(yīng)譜
三、地震動(dòng)對(duì)典型城市區(qū)域破壞能力分析
利用密布強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)在震后獲取的實(shí)時(shí)地震動(dòng)信息，再結(jié)合城市抗震彈塑性分析，就可以得到地震發(fā)生后不同地點(diǎn)的建筑破壞情況，為抗震救災(zāi)決策提供科學(xué)支撐。圖4為根據(jù)20181016新疆博爾塔拉州精河縣5.4級(jí)地震震中附近范圍內(nèi)臺(tái)站記錄分析得到的建筑震害分布示意圖。詳細(xì)分析結(jié)果可以在電腦上查看http://www.luxinzheng.net/software/20181016Jinghe.html
圖4 20181016新疆博爾塔拉州精河縣5.4級(jí)地震不同臺(tái)站地震記錄破壞力分布圖
徐永嘉
來源：陸新征課題組
展開 熱-彈-黏塑性晶體塑性模型文章推薦
傳統(tǒng)室溫本構(gòu)模型通常需要依賴大量不同溫度、不同加載路徑下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，很難真正解釋“溫度如何影響晶體滑移和多晶塑性響應(yīng)”。
Cyr 等人針對(duì)這一問題提出了一個(gè)三維熱-彈-黏塑性晶體塑性模型，即 TEV 模型，用于描述 FCC 多晶材料，特別是 AA5754 鋁合金在升溫條件下的力學(xué)行為。該模型的核心思想是：材料變形不僅包含彈性變形和晶體塑性滑移，還需要顯式考慮熱膨脹變形。因此，總變形梯度被分解為彈性/剛體轉(zhuǎn)動(dòng)部分、熱變形部分和塑性變形部分。
在本構(gòu)層面，作者保留了 FCC 晶體的 12 個(gè) {111}<110> 滑移系，并采用冪律型滑移率方程描述率相關(guān)塑性流動(dòng)。與常規(guī)晶體塑性模型不同的是，該模型把溫度效應(yīng)系統(tǒng)地引入到多個(gè)關(guān)鍵物理量中：首先，單晶彈性常數(shù) C11、C12、C44 隨溫度變化；其次，滑移阻力引入熱軟化函數(shù)，用來描述溫度升高后滑移更容易發(fā)生的現(xiàn)象；再次，單滑移硬化參數(shù)也被寫成溫度函數(shù)，包括參考臨界分切應(yīng)力、初始硬化率和硬化指數(shù)。
這個(gè)模型的優(yōu)勢(shì)在于，它不是簡(jiǎn)單地給宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線加一個(gè)溫度修正系數(shù)，而是從晶體滑移層面描述溫度對(duì)材料響應(yīng)的影響。換句話說，它可以同時(shí)分析宏觀應(yīng)力變化、微觀滑移活動(dòng)、織構(gòu)演化、局部應(yīng)變集中和熱軟化機(jī)制。因此，它比普通經(jīng)驗(yàn)型熱塑性模型更適合用于多晶材料溫成形模擬。
作者首先利用 AA5754 鋁合金在 25 ℃、148 ℃、204 ℃ 和 232 ℃ 下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定溫度相關(guān)硬化參數(shù)。隨后，又預(yù)測(cè)了 177 ℃ 和 260 ℃ 下的拉伸響應(yīng)。
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文檔以ppt形式展示，從簡(jiǎn)單走向深入，講解了彈塑性與晶體塑性在實(shí)現(xiàn)時(shí)的基本邏輯，內(nèi)容展示：
型鋼混凝土柱-鋼牛腿-彈塑性塑性損傷分析
型鋼混凝土柱-鋼牛腿-彈塑性塑性損傷分析
Ls-dyna作軋制過程的剛塑性分析和彈塑性分析
剛塑性有限元和彈塑性有限元分析方法不同，Ls-dyna作軋制過程的剛塑性分析和彈塑性分析時(shí)，怎么設(shè)置才能分別作剛塑性分析和彈塑性分析，還是與所選擇的模型有關(guān)？Ls-dyna中只有彈塑性材料模型，沒有剛塑性材料模型？
初用Ls-dyna作軋制分析，若提問有誤敬請(qǐng)諒解、指正，謝謝。
Ls-Dyna中MAT24（分段線性塑性材料/彈塑性材料）
碰撞模擬中最常用的彈塑性材料。卡片參數(shù)設(shè)置如下：
MID：材料標(biāo)識(shí)；
RO：質(zhì)量密度；
E：楊氏模量；
PR：泊松比；
SIGY：屈服應(yīng)力；
ETAN：切線模量；
FAIL：失效標(biāo)識(shí)；
TDEL：自動(dòng)單元?jiǎng)h除的最小時(shí)間步長(zhǎng)；
C：應(yīng)變率參數(shù)C；
P：應(yīng)變率參數(shù)P；
LCSS：負(fù)載曲線或者表格ID；
LCSR：應(yīng)變率變化曲線對(duì)屈服應(yīng)力影響的表格ID；
VP：應(yīng)變率公式；
EPS1-EPS8：有效塑性應(yīng)變值；
ES1-ES8：EPS1-EPS8對(duì)應(yīng)額屈服應(yīng)力值；
Ls-Dyna塑性材料沖擊破碎仿真評(píng)估 附ls-dyna中常用彈塑性材料卡片的設(shè)置方法及要點(diǎn)下載
使用關(guān)鍵字*BOUNDARY_SPC_NODE，針對(duì)下方墻體施加約束，采用*INITIAL_VELOCITY，對(duì)沖擊板施加初始速度，如圖6所示；
圖6
八、求解設(shè)置
求解設(shè)置中主要考慮的關(guān)鍵字如下：
*CONTROL_CONTACT：控制接觸；
*CONTROL_HOURGLASS：控制沙漏；
*CONTROL_TERMINATION：控制截止時(shí)間；
*DATABASE_BINARY_D3PLOT：控制結(jié)果輸出間隔；
具體設(shè)置如圖7所示；
圖7
九、求 解
將k文件輸入dyna進(jìn)行求解，需要控制求解線程數(shù)和求解內(nèi)存，如圖8所示
圖8
十、結(jié)果展示
最終結(jié)果如圖9所示；
圖9
下載地址：ls-dyna中常用彈塑性材料卡片的設(shè)置方法及要點(diǎn)
展開 《彈塑性力學(xué)》
ISBN：7801599292
印次：1
紙張：膠版紙
字?jǐn)?shù)：391000
版次：1
內(nèi)容提要：
本書系統(tǒng)闡述了彈塑性力學(xué)的基本概念、理論和方法。內(nèi)容包括應(yīng)力理論、應(yīng)變理論、本構(gòu)理論基礎(chǔ)、彈性本構(gòu)理論、平面問題、空間問題、柱體扭轉(zhuǎn)、薄板理論、薄殼理論、彈性力學(xué)變分解法、經(jīng)典屈服理論、經(jīng)典塑性本構(gòu)理論、彈塑性分析、塑性極限分析、廣義塑性本構(gòu)理論及大變形理論。
本書可作為結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械工程、巖土工程、道路與橋梁工程等專業(yè)的碩士研究生教材，也可作為科技人員的理論參考書。
目錄：
第1章 彈塑性力學(xué)概論
第2章 應(yīng)力理論
第3章 應(yīng)變理論
第4章 本構(gòu)理論概述
第5章 彈性本構(gòu)理論
第6章 彈性力學(xué)邊值問題
第7章 平面問題直角坐標(biāo)解法
第8章 平面問題極坐標(biāo)解法
第9章 平面問題復(fù)變函數(shù)解法
第10章 空間問題
第11章 柱體扭轉(zhuǎn)
第12章 薄板理論
第13章 薄殼理論
第14章 變分原理與變分法
第15章 經(jīng)典屈服理論
第16章 經(jīng)典塑性本構(gòu)理論
第17章 彈塑性分析與簡(jiǎn)單例解
第18章 塑性極限分析嚴(yán)密解法
第19章 塑性極限分析近似解法
第20章 塑懷本構(gòu)理論進(jìn)階
第21章 大變形理論
附錄 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
參考文獻(xiàn)
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