SOLID65单元计算混凝土.doc

1、SOLID65单元计算混凝土在预应力钢筋混凝土结构中,钢筋处于单轴受力状态,应力应变关系相对比较简单,用ANSYS 模拟钢筋单元采用双折线型本构关系和随动强化准则(BKIN) 。文中对预应力钢筋的本构关系采用双线性随动强化模型“BKIN”,屈服后弹性模量取为原始弹性模量的0. 01 倍;预应力筋采用如图1所示的应力应变关系,并假定当应力达到极限强度时,钢筋即拉断。图1 预应力筋的应力应变关系Fig11 Stress - stra in curve of pres2tressed steel bars考虑到预应力筋屈服后有明显的强化段, 取屈服后的弹性模量E=0.05E。骨在分析计算中,采用双线

2、性随动强化(BKIN) 5 ,将钢筋应力- 应变曲线简化成双折线形式,输入其弹性模量和屈服强度.ANSYS 的 SOLID65 单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋，以及材料的拉裂和压溃现象。 定义 SOLID65 单元的主要有两个特殊的地方： 1. 材料属性。由于混凝土材料的复杂性，混凝土的强度准则有考虑15 个参数的多种方法。一般来说，强度准则的参数越多，对混凝土强度性能的描述就越准确。SOLID65 采用的是 William-Warnke 五参数强度模型，其中需要的材料特性可通过 ANSYS 材料属性定义对话框完成。其中的 9

3、 个参数的含义如下： 张开裂缝的剪切传递系数 闭合裂缝的剪切传递系数 （上述两个变量取值区域为0.0, 1.0， 1 表示没有剪切损失而 0 表示裂缝完全分开 不传递剪力，缺省为 0） 。 抗拉强度 单轴抗压强度 双轴抗压强度 静水压力 在上述静水压力下的单轴抗压强度 在上述静水压力下的双轴抗压强度 材料拉裂后的应力释放因子 从 William-Warnke 五参数强度模型理论可知：在低静水压力和高静水压力状态下，混凝土的性能是不同的。如果是低静水压力 状态下，只需要输入上述的 和 就行了。其他的参数将具有下面的缺省值： 如果在高静水压力状态下，静水压力 时：则需要输入上述 18 个参数。在混

4、凝土到达其屈服面之前，SOLID65 单元可以具有线弹性属性，多线性弹性或者是其他的塑性特性。但如果超出了混凝土的屈服面，则将丧失混凝土屈服性能。 2 混凝土中加强筋的模拟。 钢筋混凝土有限元有三种基本模型：分离式，组合式和整体式。SOLID65 单元采用的是整体式有限元模型，即将钢筋弥散于整个单元中，将加筋混凝土视为连续均匀材料，求出的是一个统一的刚度矩阵。SOLID65 单元中的钢筋采用实常数的方法进行添加，钢筋的尺寸由于混凝土的体积比确定。可以得到三种钢筋，这三种钢筋可以具有不同的材料，不同的方向。 从抗剪的角度出发，箍筋在截面的位置可以是任意的，因此这种方法对于钢筋混凝土中均匀分布的箍

5、筋的设置比较适合。但与纵筋的实际情况却有一定的距离，下面这两种方法，则可以更好的模拟纵筋的受力情况： （1）将纵筋密集的区域设置为不同的体，使用带筋的 65 单元，而无纵筋区则设置为无筋 65 单元。这样就可以将钢筋区域缩小，接近真实的工程情况。 （2）采用杆单元来模拟纵筋，即采用分离式的有限元模型。为了建模方便，可将实体分为几个部分，使其交线为纵筋位置，这样就可以对交线划分杆单元。此时，还可以对杆施加预应力来模拟预应力混凝土ANSYS 中混凝土单元（solid65） ANSYS 中专门用于混凝土结构而开发的单元 solid65，可以考虑混凝土的压碎和开裂。Solid65 单元为八节点六面体单

6、元，solid65 单元本身包括两部分：一是和普通的八节点空间实体单元 solid45 相同的实体单元模型，但加入了 Willam-Warnke 五参数破坏准则。二是由弥散钢筋组成的整体式模型，它可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度及配筋率等参数。此单元模型在一般范围内可以较好地进行钢筋混凝土的非线性分析，包括对徐变等特性的考虑，但对于复杂加载路径下结构的响应，如地震作用下结构的滞回性能的分析，由于本构模型过于粗糙，得不到令人满意的结果。 在实际应用中要为 solid65 提供以下数据： 1实参数 real constants：在实参数中给定solid65 单元在三维空间各个方向的

7、钢筋材料编号、位置、角度和配筋率。对于墙、板等钢筋分布比较密集而又均匀的构件形式，一般使用这种整体式混凝土模型。 2材料模型 Material model：设定混凝土与钢筋的弹性模量、泊松比、密度。 3数据表 Data Table：在这里给定钢筋混凝土本构关系：对于钢筋材料，一般需要给定一个应力应变关系的 Data Table，譬如双折线等强硬化或随动硬化模型等。而对于混凝土模型，则需要两个 Data Table。一个是本构关系的 Data Table，比如使用Multilinear kinematic hardening plasticity（MKIN）模型或者Drucker-Prager

8、plasticity 模型等，用来定义混凝土的应力应变关系。另一个是 solid65 特有的 Concrete element data,用于定义混凝土的强度准则。关于混凝土的计算问题转贴 绝对经典 一、关于模型 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种，即分离式、分布式和组合式模型。考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，则采用引入粘结单元的分离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好，不考虑二者之间的滑移，则三种模型都可以；分离式和分布式模型适用于二维和三维结构分析，后者对杆系结构分析比较适用。裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型，后者目前尚处研究之中，主要应用的是前两种。

9、离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。 就 ANSYS 而言，她可以考虑分离式模型(solid65+link8，认为混凝土和钢筋粘结很好，如要考虑粘结和滑移，则可引入弹簧单元进行模拟，比较困难！)，也可采用分布式模型(带筋的 solid65)。而其裂缝的处理方式则为分布裂缝模型。 二、关于本构关系 混凝土的本构关系可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类，其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系，其中不乏实用者。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型，或借用古典强度理论或

10、基于试验结果等，各个破坏准则的表达方式和繁简程度各异，适用范围和计算精度差别也比较大，给使用带来了一定的困难。 就 ANSYS 而言，其问题比较复杂些。 1 ANSYS 混凝土的破坏准则与屈服准则是如何定义的？ 采用 tb,concr,matnum 则定义了 W-W 破坏准则(failure criterion)，而非屈服准则(yield criterion)。W-W 破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用的，而混凝土的塑性可以另外考虑（当然是在开裂和压碎之前） 。理论上破坏准则(failure criterion)和屈服准则(yield criterion)是不同的，例如在高静水压力下会发生相

11、当的塑性变形，表现为屈服，但没有破坏。而工程上又常将二者等同，其原因是工程结构不容许有很大的塑性变形，且混凝土等材料的屈服点不够明确，但破坏点非常明确。 定义 tb,concr matnum 后仅仅是定义了混凝土的破坏准则和缺省的本构关系，即 WW 破坏准则、混凝土开裂和压碎前均为线性的应力应变关系，而开裂和压碎后采用其给出的本构关系。但屈服准则尚可另外定义(随材料的应力应变关系，如 tb,MKIN,则定义的屈服准则是 Von Mises,流动法则、硬化法则也就确定了)。 2 定义 tb,concr 后可否定义其它的应力应变关系 当然是可以的，并且只有在定义 tb,concr 后，有些问题才好

12、解决。例如可以定义 tb,miso,输入混凝土的应力应变关系曲线(多折线实现) ，这样也就将屈服准则、流动法则、硬化法则等确定了。这里可能存在一点疑问，即 ANSYS 中的应力应变关系是拉压相等的，而混凝土材料显然不是这样的。是的，因为混凝土受拉段非常短，认为拉压相同影响很小，且由于定义的 tb,concr 中确定了开裂强度，所以尽管定义的是一条大曲线，但应用于受拉部分的很小。 三、具体的系数及公式 1 定义 tb,concr 时候的两个系数如何确定？ 一般的参考书中，其值建议先取为 0.30.5(江见鲸)，原话是“在没有更仔细的数据时，不妨先取 0.30.5 进行计算”，足见此 0.30.5

13、 值的可用程度。根据我的经验和理由，建议此值取大些，即开裂的剪力传递系数取 0.5,（定要0.2）闭合的剪力传递系数取 1.0。支持此说法的还有现行铁路桥规的抗剪计算理论，以及原公路桥规的容许应力法的抗计剪计算。 2 定义混凝土的应力应变曲线 单向应力应变曲线很多，常用的可参考国标混凝土结构规范，其中给出的应力应变曲线是二次曲线直线的下降段，其参数的设置按规范确定即可。当然如有实测的应力应变曲线更好了。 四、关于收敛的问题 ANSYS 混凝土计算收敛( 数值)是比较困难的，主要影响因素是网格密度、子步数、收敛准则等，这里讨论如下。 1 网格密度：网格密度适当能够收敛。不是网格越密越好，当然太稀

14、也不行，这仅仅是就收敛而言的，不考虑计算费用问题。但是究竟多少合适，没有找到规律，只能靠自己针对情况慢慢试算。 2 子步数：NSUBST 的设置很重要，设置太大或太小都不能达到正常收敛。这点可以从收敛过程图看出，如果 F 范数曲线在F 曲线上面走形的很长，可考虑增大 nsubst。或者根据经验慢慢调正试算。 3 收敛精度：实际上收敛精度的调正并不能彻底解决收敛的问题，但可以放宽收敛条件以加速吧。一般不超过 5%(缺省是 0.5%)，且使用力收敛条件即可。 4 混凝土压碎的设置：不考虑压碎时，计算相对容易收敛；而考虑压碎则比较难收敛，即便是没有达到压碎应力时。如果是正常使用情况下的计算，建议关掉压碎选项；如果是极限计算，建议使用concrMISO 且关闭压碎检查；如果必设压碎检查，则要通过大量的试算（设置不同的网格密度、NSUBST ）以达到目的，但也很困难。 5 其他选项：如线性搜索、预测等项也可以打开，以加速收敛，但不能根本解决问题。 6 计算结果：仅设置 concr，不管是否设置压碎，其一般 P-F 曲线接近二折线；采用 concr+miso 则 P-F 曲线与二折线有差别，其曲线形状明显是曲线的。