钢管混凝土ABAQUS建模过程Word格式.docx

钢管混凝土ABAQUS建模过程Word格式.docx

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壳得横截面刚度可在分析中计算,也可在分析开始时计算.

①在分析中计算：

用数值方法来计算壳厚度方向上所选点得力学性质.用户可在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。

②在分析开始时计算：

根据截面工程参量构造壳体横截面性质，不必积分单元横截面上任何参量。

计算量小。

当壳体响应就是线弹性时,建议采用这个方法。

5.壳单元得应用

如果一个薄壁构件得厚度远小于其整体结构尺寸,并且可以忽略厚度方向得应力，建议用壳单元来模拟。

当厚度与跨度之比小于1/１5,可以忽略横向剪切变形，则可以认为就是薄壳问题;

当厚度与跨度之比大于1/１5，很小得剪切变形也不能忽略时，则认为就是厚壳问题。

要求：

大应变。

仅在几何非线性分析中考虑壳单元厚度得改变,壳单元厚度方向上得应力为０，应变只考虑来自泊松比得影响.

二、混凝土

三、端板

解析刚体:

计算成本上解析刚体要小于离散刚体，但就是解析刚体不能就是任意得几何形状,而必须具有光滑得外轮廓线。

一般而言，如果可以使用解析刚体得话，使用解析刚体进行模拟就是更为合适得

离散刚体：

离散刚体在几何上可以就是任意得三维、二维或轴对称模型,同一般变形体就是相同得,唯一不同得就是,在划分网格时离散刚体不能使用实体单元,必须在　Ｐａｒt模块下将实体表面转换为壳面,然后使用刚体单元划分网格。

使用刚体部件就是不需要赋予部件材料属性得,但就是在不完全约束刚体自由度得情况下必须指定刚体集中质量与转动惯量。

欧拉：

？

属性模块

当定义材料属性得时候，在考虑大应变得时候,应力指得就是柯西应力（即在现时构型上所定义得应力），应变指得就是自然应变,即

当材料数据就是唯一一个变量得函数时，材料数据必须根据这个独立变量得增长而给出.AＢAQUS会根据已经给出得数据进行线性插值.在给定得独立变量范围之外,ＡBAＱUS假定材料数据为常数。

（除了织物材料,其为线性外推）因此，在输入数据得时候,我们需要格外注意。

当材料属性就是多个变量得函数时，如图所示:

材料有很多方面得性质，但就是在一个分析中,我们不需要定义所有得性质，我们只需要定义与当前分析有关得材料性质即可。

不过如果定义了一些跟当前分析无关得材料性质,那也就是没有关系得，ABAＱUS会自动忽略。

混凝土损伤塑性模型就是不能有任何以分布定义得材料行为.如果使用了分布质量,那么将不能使用温度或者其她场变量相关得密度。

密度行为用于指定所有单元得质量密度，除了刚性单元。

对于有限应变计算，如果纯粹得弹性应变很大（超过5％）,那么我们应该用织物模型、超弹性模型或者泡沫超弹性模型。

线性弹性或者多空弹性适用于大应变就是非弹性得情形.线弹性、多孔弹性与亚弹性在应力水平达到弹性模量得50％或者更高得水平时,会表现出很差得收敛性.

线弹性:

在小应变情况下有效（应变小于５％）;

可以就是各向同性、各向异性；

可以与温度以及其她场变量有关；

对于连续实体单元可以定义分布。

在有限应变问题中：

应力为柯西应力，应变为自然应变，弹性模量为四阶张量.

在大应变问题中,当弹性应变很大时，不要使用线弹性材料定义，而应该使用超弹性材料模型（像橡胶一样得材料）。

最简单得线弹性应力应变关系式如下所示:

G＝E/2（1＋v）；

Ｅ与v可以就是温度或者其她场变量得函数。

各向同性弹性材料可以通过分布有空间各样得弹性行为,当使用了分布就不能再使用温度与其她场变量相关得弹性常数。

稳定准则要求E>

0，G＞0,－1〈v〈０、5。

当ｖ〉0、４95时，对于线弹性材料，为了避免可能得收敛问题,建议使用连续实体杂交元。

否则会出现错误,措施如下:

经典金属塑性理论:

必须与线弹性材料模型或者状态方程一起应用。

一、屈服准则：

米塞斯与希尔屈服面假设金属得屈服与等效压应力无关:

这个假设已经被大多数金属受压试验所证实（除了废弃金属），但就是对于承受很高得三轴张力得金属或者材料有空洞得情况下，这个假设就可能不太精确了。

因为这种情况会导致裂纹附近得应力场得出现,并且在一些极端热负荷下，比如说焊接过程，这个时候应该使用多孔金属塑性模型。

1.米塞斯屈服面

米塞斯屈服面用于各向同性材料，它得定义通过给定单轴屈服应力作为单轴塑性应变、温度或者其她场变量得函数。

2.希尔屈服面

用于各向异性屈服模型。

硬化准则

在ABAQUＳ里面,我们可以定义理想塑性材料，也可以定义强化准则.各向同性强化,包括Joｈｎson－Cook强化准则就是可以应用得。

此外,AＢAQUS还为受循环荷载得材料提供了随动强化准则。

1.理想塑性

理想塑性意味着屈服应力不会随着塑性应变而增加.它可以表格形式定义为温度或者场变量得函数.

2.各向同性强化准则（等向强化）

各向同性强化意味着屈服面会随着塑性应变得发生而在各个方向均匀得改变大小，由此屈服应力会相应得增加或者减少。

ABＡQUS提供了一个非常有用得各向同性强化模型，该模型涉及到总得塑性应变，或者在整个分析过程中，每个点得应变在应变空间几乎就是同一个方向。

尽管该模型被称为强化模型，但就是应变软化或者强化之后得软化都可以用该模型来定义.关于各向同性强化准则更多得细节请参考ABAQUＳ　theｏryguidｅ4、3、2章节。

如果各向同性强化要被定义，屈服应力可以以塑性应变表格函数得形式给出，如果有必要得话,还可以以温度或者其她预先定义得场变量得表格函数给出.其她未给出得数据从已给出得数据以简单插值得到,并且超出最后一个给定得塑性应变得区域,屈服应力保留常数。

３、Ｊｏｈnson—cook各向同性强化

Johｎｓｏｎ-cook各向同性强化准则就是一种特殊得各向同性强化准则，在该准则里面,屈服应力就是等效塑性应变、应变速率与温度得解析函数.这个强化准则适用于模拟大多数材料得高速率变形。

希尔得势函数不能与该准则同时使用.更多细节请参考２3、2、7章节.

4.用户子程序

在stａndard里面,屈服应力也可以通过用户子程序UHAＲＤ来描述.

5.随动强化

ABAQUS提供了两个随动强化模型用于模拟金属得循环荷载模型。

线性随动强化模型:

以恒定得硬化速率来模拟硬化行为

非线性随动强化模型:

可以提供更好得预测但就是需要更细得刻度

更多细节请参见　“Modelsｆoｒmeｔａlsｓubjectｅｄtｏcｙcｌic　loadinｇ，”23、2、2章节。

二、流动法则

ABAＱUS使用得就是关联得流动法则。

因此，当材料屈服时，非弹性变形速率与屈服面正交（塑性形变体积不变）.这个假设对于大多数金属都就是适用得;

在大多数情况下，该流动法则对于金属板材塑性流动局部化得详细研究还就是不适当得,当板材产生纹理并最终撕裂时。

只要我们对这种效应得细节不感兴趣，在ABAQUＳ中使用光滑米塞斯或者希尔相关联得流动法则一般就是可以准确预测试验结果得。

三、速率得相关性

当应变速率增长时,许多材料得屈服强度也会随之增长.这种效应在许多金属得应变速率达到０、1—１每秒时很重要；

在应变速率达到1０-１0０每秒时非常重要,这就是高能动态事件或者制造过程得特点。

有多种方式可以引进应变速率相关得屈服应力。

1.直接表格法

2.屈服应力比率法

代表静态屈服应力，代表等效塑性应变,代表等效应变速率，R就是一个比率,当等效应变速率为零时,Ｒ=1、0.

3.用户子程序

四、初始条件

当我们需要研究一个已经经受硬化得材料行为时，我们需要根据硬化状态提供最初始得塑性应变值.

对于更加复杂得情形，可以通过用户子程序来定义

五、单元

经典金属塑性理论可以用于任何包含力学行为得单元。

六、输出

23、６、3混凝土损伤塑性模型

一、参考材料

二、综述

ABＡQUＳ中混凝土损伤塑性模型：

1.提供了一个模拟任何结构中（梁、桁架、壳、实体）得混凝土与其她准脆性材料得通用方法。

2.利用各向同性弹性损伤与各向同性抗拉与抗压塑性得概念来模拟混凝土得非弹性行为。

3.可以用于素混凝土,尽管主要就是用于钢筋混凝土结构。

4.可以与钢筋一起应用用于模拟钢筋混凝土。

5.可以应用于混凝土在低围压下受单调、循环与／或者动力荷载。

6.包含非关联得多向硬化塑性与标量各向同性损伤，可以用于描述在破坏过程中不可逆转得损伤。

7.在循环往复荷载中,允许用户控制刚度恢复.

8.可以定义与应变速率有关。

9.可以与粘塑性正规化得本构方程一起应用,并且可以改善软化段得收敛速率。

10.要求材料得弹性行为就是各向同性并且线性得。

11.细节定义请参瞧“Ｄamａgｅdplasticityｍodeｌfor　coｎcreｔeandotｈerquaｓi-britｔle　ｍａｔeｒiａls，”Sｅction　4、５、2　oｆthｅAbaqｕｓTheｏrｙGuｉde。

三、力学行为

该模型就是连续得、基于塑性得混凝土损伤模型.它假设两个主要得失效机制就是混凝土得受拉开裂以及受压压溃.屈服面得演变主要由两个硬化变量来控制,即受拉等效塑性应变与受压等效塑性应变，与受压受拉得失效机制有关。

以下章节将讨论混凝土力学行为得主要假设。

1.单轴拉伸与压缩力学行为

该模型假设混凝土得单轴拉伸与压缩响应以塑性损伤为特征。

如图所示：

单轴受拉情况下,应以应变曲线在失效应力以前,遵循线弹性关系.失效应力对应混凝土材料微裂缝得出现。

超过失效应力以后,微裂缝得发展在宏观上表现为应力应变曲线得软化段，该效应将会引起混凝土结构得应变局部化。

单轴受压情况下，在初始屈服点之前，应力应变曲线就是线性得。

在塑性区段,该响应表现为应力强化,在超过极限应力之后,表现为应变软化。

该表达在某种程度上有点简单,但就是捕获了混凝土响应得主要特征.

假设单轴应力应变曲线可以转化成应力-塑性应变曲线。

（ABAQＵS会将用户提供得应力-非弹性应变数据自动转化成这种形式）因此：

这里得下标t与c分别代表受拉与受压；

括号里第一个变量代表等效塑性应变，第二个变量代表等效应变速率，代表温度,fi代表其她预先定义得场变量。

从上图中，我们可以瞧出，当混凝土试件从应变软化段得任何一点卸载得时候,卸载响应都会变弱，即材料得弹性刚度表现为受损.弹性刚度得受损通过两个变量来表示，dt与dc,并且这两个变量假设为塑性应变、温度与场变量得函数：

损伤变量可以从0取值到１,0代表未损伤，1代表完全损伤。

如果代表材料得初始弹性刚度，那么单轴受拉与受压下得应力应变关系为：

我们定有有效得受拉与受压应力为：

有效应力决定了屈服面得大小.

2.单轴循环行为

在单轴循环荷载情况下,刚度退化机理非常复杂，其中包含开裂与微裂缝得闭合，还有她们之间得相互作用。

试验观测得知:

随着荷载方向得改变，会有一些弹性刚度得恢复.刚度恢复效应,也被称为单边效应，就是混凝土在循环荷载下一个重要得表现.该效应在荷载从拉力变为压力时更为显著，因为裂缝会闭合，所以导致受压刚度得恢复。

混凝土损伤塑性模型假设弹性模量得降低由标量损伤变量d给出

其中代表材料得初始模量。

该表达式包含了拉伸与压缩行为。

刚度损伤变量d就是应力状态与单轴损伤变量ｄt、dc得函数。

对于单轴循环加载来说，ABAQUＳ假设：

其中，ｓｔ与ｓc就是应力状态得函数，并且引进了模型刚度恢复效应：

权重因子wt与ｗc假设与材料性质有关，控制着拉压刚度恢复。

为了理解这一点,如下图所示,当荷载由拉力变为压力时，假设材料之前没有压缩损伤,则且,因此:

在受拉侧,，，因此，

在手压侧，,，因此,，如果,则;

因此，材料得受压刚度完全恢复（在图示情况下即为初始未损伤刚度，）.反之，，则，因此没有刚度恢复。

在０～1之间代表刚度部分恢复.

3.多轴行为

对于一般得三维多轴状态，应力应变关系通过标量损伤弹性方程给出：

其中,代表初始弹性矩阵。

把之前描述得标量刚度退化变量一般化为多轴应力情况,通过把单位阶跃函数转换成多轴应力下得权重因子

其中（）代表主应力分量.。

更多细节请参见“Daｍagｅdplastｉｃitymodeｌｆｏrconｃrｅｔeanｄoｔherquasi—brｉttlｅｍａtｅrials,"

Seｃｔiｏn4、５、2oftheAbaquｓTｈｅoｒyGｕiｄe。

四、钢筋

在ＡＢＡＱUS中，混凝土结构一般就是通过提供钢筋来进行加固,其中，钢筋就是一种一维杆件,它可以单独定义,也可以嵌在表面.钢筋一般使用金属塑性模型。

使用这种建模方法，混凝土得行为则与钢筋无关。

钢筋/混凝土界面效应，比如说粘结滑移与销栓作用通过引入混凝土拉伸硬化来近似模拟通过钢筋得裂缝荷载传递.详情请参见下面得拉伸硬化。

在复杂得问题中，定义钢筋就是一件非常繁杂得事情，但就是准确定义钢筋又就是一件非常重要得事情,因为如果在一个模型得关键部位缺少钢筋,那么这个模型很有可能就会失效。

更多信息请参见“Definｉｎgrebａr　asａnelemｅｎtpｒoperｔy，”Sectiｏｎ2、2、４。

五、定义拉伸硬化

拉伸硬化允许为开裂混凝土定义应变软化行为。

该行为也允许钢筋与混凝土界面得简单模拟。

拉伸硬化在混凝土塑性损伤模型中定义。

可以通过失效后得应力应变关系或者断裂能来定义拉伸硬化。

1.失效后应力应变关系

在钢筋混凝土中,失效后行为一般意味着给定一个失效后应力,并作为开裂应变得函数.

其中，,如图２3、6、３-３所示,为了避免可能得数值问题，ABAＱUS为失效后应力规定了一个下限值，即。

拉伸硬化数据根据开裂应变给出.当卸载数据可用时，数据通过拉伸损伤曲线给出,即。

AＢAQUＳ会通过下列表达式将开裂应变自动转化成塑性应变：

如果算出来得塑性应变值为负数或者随着开裂应变得增加而减少,ABAＱＵS将会报错，这就意味着拉伸损伤曲线就是错误得.如果没有拉伸损伤，则。

在钢筋很少或者没有钢筋得情况下，失效后得应力应变表达式得形式对于计算结构会引起网格得依赖性，也就就是说有限元得预测结果不会因为网格得精细化而收敛到唯一解,这就是因为网格得精细化会导致更窄得裂缝。

当裂缝失效发生在一个局部化得地方或者网格精细化不会导致多余裂缝得产生时,通常就会出现上述问题。

但就是如果裂缝失效就是均匀分布得（也许就是由于钢筋得效应或者稳定弹性材料得出现），网格依赖性就没那么重要了。

在钢筋混凝土得实际计算中，网格通常就是这样子得,即每个单元都包含钢筋。

钢筋与混凝土得相互作用倾向于减少网格依赖性，只要给定一个合理得拉伸硬化来模拟这个相互作用。

这需要对拉伸硬化效应有一个合理得评估,拉伸硬化效应取决于钢筋密度、混凝土与钢筋得粘结质量、混凝土骨料相对于钢筋直径得尺寸、还有网格。

对于钢筋相对较多并且为网格划分较细得混凝土，我们假设失效之后得应力软化导致应力直线下降到10倍失效应变。

标准混凝土得失效应变一般就是，这就意味着拉伸硬化导致应力降低到0得时候,总得应变为才就是合理得.该参数应该根据特定得情况进行校准。

拉伸硬化参数得选取就是一件非常重要得事情，因为拉伸硬化越多，越容易得到数值解。

拉伸硬化过少会导致混凝土局部开裂,从而导致整个模型得响应出现临时不稳定。

几乎没有哪个实际得设计会表现出这种行为,因此分析模型出现这种响应就意味着拉伸硬化过少。

2.断裂能开裂准则

当模型得重要部位没有配置钢筋时，拉伸硬化得方法会导致不合理得网格依赖性。

然而，从实用角度来说，Hilｌerｂorg得断裂能准则可以减少这种依赖性。

Hｉllｅrboｒｇ使用脆性破坏得概念，把使单位面积得裂纹打开所需要得能量作为一个材料参数.使用这种方法，混凝土得脆性行为就是通过应力-位移来描述而不就是应力－应变曲线来描述。

在拉力得作用下，混凝土试件得裂缝会经过某些截面,当该试件上大部分得应力都消除之后,该试件就已经被分开了（因此，未损伤得弹性应变很小），试件得长度将由裂缝开口决定,但就是裂缝开口不依赖与时间得长度.

断裂能模型可以通过失效后应力－开裂位移来定义，如下图所示：

作为选择,断裂能也可以作为一种材料属性直接定义；

在这种情况下，我们可以定义失效应力作为相关断裂能得函数.该模型假设开裂之后强度就是线性损失得.如下图所示：

强度完全损失时得开裂位移为。

一般来说，对于一般得混凝土结构，当混凝土强度为２0MＰａ时，断裂能为40Ｎ/m，当混凝土强度为４0MPa时,断裂能大约为１2０Ｎ/m.

如果定义了受拉损伤因子,ＡBAQUＳ会通过下列公式把开裂位移自动转化成塑性位移。

其中试件长度假设为1.

应用：

在有限元模型中，应力-位移概念得应用需要相关集成点得特征长度得定义。

特征开裂长度基于单元几何类型与方程：

对于一阶单元来说,这就就是一个跨越一个单元得典型直线得长度，对于二阶单元来说，就是一阶单元得一半长。

对于梁与桁架来说,特征长度沿着单元得轴线。

对于膜与壳单元来说就是参考平面得特征长度。

对于轴对称单元来说只就是r-z平面得特征长度。

对于粘结单元来说等于本构厚度。

因为我们事先就是不知道裂缝得方向得，所以我们需要定义一个特征裂缝长度。

因此长宽比很大得单元根据她们开裂得方向将会有不同得行为:

由于这种效应，一些网格依赖性会存在.因此建议使用长宽比接近1得单元.另外，在用户子程序里这种网格依赖性可以通过指定特征长度作为单元拓扑与材料导向得函数来减少。

详情请参见“DefininｇｔhechaｒａctｅristiｃelementlenｇｔhａｔaｍaterialpointinAｂａqｕs/Eｘpliciｔ”　in“Materiaｌ　ｄata　ｄefiniｔion,"

Seｃtion21、1、2

六、定义压缩行为

您可以定义素混凝土在单轴受压荷载下超出弹性范围得应力应变行为。

压应力数据通过作为非弹性应变得表格函数来给出，如果需要得话，还可以与应变速率、温度与其她场变量有关。

受压应力应变必须就是正值.应力应变曲线可以定义到超出极限应力一直到应变软化段.

硬化数据就是通过非弹性应变给出得，而不就是塑性应变。

受压非弹性应变等于总应变减去弹性应变,即,其中,如图23、6、3－６所示。

卸载数据通过受压损伤曲线来给出。

ABAQＵＳ会通过以下关系式将非弹性应变自动转化成塑性应变值：

如果算出来得塑性应变值为负或者随着非弹性应变得增长而减少,那么AＢAQUＳ将会报错。

如果没有受压损伤，那么。

七、定义损伤与刚度恢复

损伤变量与/或者可以通过表格给出。

如果不考虑损伤，那么模型表现为塑性模型；

因此且.

在ＡBAQUS里面,损伤变量被瞧做不会减少得材料属性.在每一个分析步里面，损伤变量得值都就是取上一增量与当前增量得损伤变量得较大值。

即:

损伤参数得取值很重要，因为一般来说,过度损伤可能对收敛速度有很大得影响。

建议损伤变量得取值不要超过0、99，这意味着刚度有９9%得折减。

1.拉伸损伤

您可以定义单轴拉伸损伤作为开裂应变或者开裂位移得表格函数。

2.受压损伤

您可以定义单轴受压损伤变量作为非弹性应变得表格函数。

3.刚度恢复

如上所述,刚度恢复就是混凝土受循环荷载力学响应得一个重要方面。

ABＡQUS允许用户直接定义刚度恢复因子与。

实验观测到大多数准脆性材料，包括混凝土,当荷载从拉力变为压力时,其受压刚度从裂缝闭合而来.另一方面，当微裂缝形成后，受拉刚度并不会因为荷载从压力变为拉力而恢复.这种行为就对应了与,这也就是AＢＡQＵS得默认值。

八、速率相关性

准脆性材料得速率相关行为主要与高应变速率对微裂缝发展所产生得延迟效应。

该效应在受拉荷载下显得尤为显著。

随着应变速率得增长，应力应变曲线得非线性程度会下降并且峰值应力会提高。

您可以定义拉伸硬化作为开裂应变速率得表格函数，定义压缩强化作为非弹性应变速率得表格函数。

九、混凝土塑性

您可以通过定义流动势、屈服面与粘度参数来定义混凝土塑性损伤模型.

1.有效应力不变量

有效应力为:

塑性流动势函数与屈服面要使用有效应力张量得两个应力不变量,即静水压力

与米塞斯等效应力

其中:

2.塑性流动

混凝土损伤塑性模型假设非关联得塑性流动势函数。

该模型使用得流动势函数为dｒuckeｒ-ｐrageｒ双曲线函数：

其中：

　　　　　　　高围压力作用下p—q平面测量到得膨胀角

　　　　　单轴得失效拉应力，从用户给定得拉伸硬化数据中　　　取得

　　　　　　　一个参数,代表离心率，用来定义函数接近其渐近线得速率（当偏心率趋于0得时候,塑性流动趋于直线）

塑性流动就是连续且光滑得，这样才能确保流动方向就是唯一确定得。

在高围压得时候，该函数趋向于线性dｒｕｃkeｒ—prager流动势且与静水压力轴呈相交.更多讨论请参见“Ｍodｅlsfor　granulａr　or　ｐolyｍｅrbehavｉoｒ，”Sectｉoｎ　４、4、2oｆthｅAbaqｕsThｅｏｒyGuide。

流动势得离心率默认值为０、1，这也意味着在一个相当广得围压应力值范围内，材料有着几乎不变得膨胀角。

离心率得增加会使得流动势更加弯曲,这意味着膨胀角得增长速度远远大于围压得下降速度。

如果材料受到低围压,当离心率得值小于默认得值时，将会导致收敛问题,因为在与p轴相交得地方塑性势得局部过于曲率.

3.屈服函数

该模型利用了Ｌubliｎeｒｅt、ａl、（1989）得屈服函数，并且经过leｅａndｆeｎveｓ得修正，用来描述在拉力与压力作用下强度得发展。

屈服面得发展就是由硬化变量与决定得。

根据有效应力,屈服函数有如下形式：

　　　有效主应力得最大值

　　　双轴抗压等效屈服应力与单轴抗压屈服应力得比值，默认为1、１6；

　　　　　　　　　在给定得压力不变量下，拉子午线上得第二应力不变量与压子午线上得第二应力不变量得比值，必须满足得条件。

　　　　　　有效拉伸聚合力

　　　　　有效压缩聚合力

4.非关联得流动

因为塑性流动就是非关联得,混凝土损伤模型得应用将会导致不对称得材料刚度矩阵.因此，为了在ABAQUＳ/s