钢管混凝土ABAQUS建模过程Word下载.docx

1、用数值方法来计算壳厚度方向上所选点的力学性质。用户可在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。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。当壳体响应是线弹性时，建议采用这个方法。5. 壳单元的应用如果一个薄壁构件的厚度远小于其整体结构尺寸，并且可以忽略厚度方向的应力，建议用壳单元来模拟。当厚度和跨度之比小于1/15，可以忽略横向剪切变形，则可以认为是薄壳问题；当厚度和跨度之比大于1/15，很小的剪切变形也不能忽略时，则认为是厚壳问题。要求：大应变。仅在几何非线性分析中考虑壳单元厚度的改变，壳单元厚度方向上的应力为0，应变只考虑来自泊松比的影响。二、

2、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，但是解析刚体不能是任意的几何形状， 而必须具有光滑的外轮廓线。 一般而言，如果可以使用解析刚体的话，使用解析刚体进行模拟是更为合适的离散刚体：离散刚体在几何上可以是任意的三维、二维或轴对称模型，同一般变形体是相同的，唯一不同的是，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。使用刚体部件是不需要赋予部件材料属性的，但是在不完全约束刚体自由度的情况下必须指定刚体集中质量和转动惯量。欧拉：？属性模块当定义材料属性的时候，在考虑大应变的时候，应力指的是柯西应力（即在现时构型上所定

3、义的应力），应变指的是自然应变，即当材料数据是唯一一个变量的函数时，材料数据必须根据这个独立变量的增长而给出。ABAQUS会根据已经给出的数据进行线性插值。在给定的独立变量范围之外，ABAQUS假定材料数据为常数。（除了织物材料，其为线性外推）因此，在输入数据的时候，我们需要格外注意。当材料属性是多个变量的函数时，如图所示：材料有很多方面的性质，但是在一个分析中，我们不需要定义所有的性质，我们只需要定义与当前分析有关的材料性质即可。不过如果定义了一些跟当前分析无关的材料性质，那也是没有关系的，ABAQUS会自动忽略。混凝土损伤塑性模型是不能有任何以分布定义的材料行为。如果使用了分布质量，那么将

4、不能使用温度或者其他场变量相关的密度。密度行为用于指定所有单元的质量密度，除了刚性单元。对于有限应变计算，如果纯粹的弹性应变很大（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是非弹性的情形。线弹性、多孔弹性和亚弹性在应力水平达到弹性模量的50%或者更高的水平时，会表现出很差的收敛性。线弹性：在小应变情况下有效（应变小于5%）；可以是各向同性、各向异性；可以与温度以及其他场变量有关；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

5、该使用超弹性材料模型（像橡胶一样的材料）。最简单的线弹性应力应变关系式如下所示：G=E/2（1+v）；E和v可以是温度或者其他场变量的函数。各向同性弹性材料可以通过分布有空间各样的弹性行为，当使用了分布就不能再使用温度和其他场变量相关的弹性常数。稳定准则要求E0，G0，-1v0.495时，对于线弹性材料，为了避免可能的收敛问题，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：米塞斯和希尔屈服面假设金属的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），但是对于承受很高的三轴张力的金属或者材料

6、有空洞的情况下，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的应力场的出现，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，它的定义通过给定单轴屈服应力作为单轴塑性应变、温度或者其他场变量的函数。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强化准则是可以应用的。此外，ABAQUS还为受循环荷载的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

7、场变量的函数。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的发生而在各个方向均匀的改变大小，由此屈服应力会相应的增加或者减少。ABAQUS提供了一个非常有用的各向同性强化模型，该模型涉及到总的塑性应变，或者在整个分析过程中，每个点的应变在应变空间几乎是同一个方向。尽管该模型被称为强化模型，但是应变软化或者强化之后的软化都可以用该模型来定义。关于各向同性强化准则更多的细节请参考ABAQUS theory guide 4.3.2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的形式给出，如果有必要的话，还可以以温度或者其他预先定义的场变量的表格函数给出。其

8、他未给出的数据从已给出的数据以简单插值得到，并且超出最后一个给定的塑性应变的区域，屈服应力保留常数。3.Johnson-cook各向同性强化Johnson-cook各向同性强化准则是一种特殊的各向同性强化准则，在该准则里面，屈服应力是等效塑性应变、应变速率和温度的解析函数。这个强化准则适用于模拟大多数材料的高速率变形。希尔的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的循环荷载模型。线性随动强化模型：以恒定的硬化速率来模拟硬化行为非线

9、性随动强化模型：可以提供更好的预测但是需要更细的刻度更多细节请参见 “Models for metals subjected to cyclic loading,”23.2.2章节。二、 流动法则ABAQUS使用的是关联的流动法则。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是适用的；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的详细研究还是不适当的，当板材产生纹理并最终撕裂时。只要我们对这种效应的细节不感兴趣，在ABAQUS中使用光滑米塞斯或者希尔相关联的流动法则一般是可以准确预测试验结果的。三、 速率的相关性当应变速率增长时，许多材料

10、的屈服强度也会随之增长。这种效应在许多金属的应变速率达到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，这是高能动态事件或者制造过程的特点。有多种方式可以引进应变速率相关的屈服应力。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的材料行为时，我们需要根据硬化状态提供最初始的塑性应变值。对于更加复杂的情形，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的单元。六、 输出23.6.3混凝土损伤塑性模型一

11、、 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）的混凝土和其他准脆性材料的通用方法。2. 利用各向同性弹性损伤和各向同性抗拉和抗压塑性的概念来模拟混凝土的非弹性行为。3. 可以用于素混凝土，尽管主要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、循环和/或者动力荷载。6. 包含非关联的多向硬化塑性和标量各向同性损伤，可以用于描述在破坏过程中不可逆转的损伤。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的本构方程一起应用，并且可

12、以改善软化段的收敛速率。10. 要求材料的弹性行为是各向同性并且线性的。11. 细节定义请参看“Damaged plasticity model for concrete and other quasi-brittle materials,”Section 4.5.2 of the Abaqus Theory Guide。三、 力学行为该模型是连续的、基于塑性的混凝土损伤模型。它假设两个主要的失效机制是混凝土的受拉开裂以及受压压溃。屈服面的演变主要由两个硬化变量来控制，即受拉等效塑性应变和受压等效塑性应变，与受压受拉的失效机制有关。以下章节将讨论混凝土力学行为的主要假设。1. 单轴拉伸和压缩力

13、学行为该模型假设混凝土的单轴拉伸和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的出现。超过失效应力以后，微裂缝的发展在宏观上表现为应力应变曲线的软化段，该效应将会引起混凝土结构的应变局部化。单轴受压情况下，在初始屈服点之前，应力应变曲线是线性的。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，但是捕获了混凝土响应的主要特征。假设单轴应力应变曲线可以转化成应力-塑性应变曲线。（ABAQUS会将用户提供的应力-非弹性应变数据自动转化成这种形式）因此：这里的下标t和c分别

14、代表受拉和受压；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代表其他预先定义的场变量。从上图中，我们可以看出，当混凝土试件从应变软化段的任何一点卸载的时候，卸载响应都会变弱，即材料的弹性刚度表现为受损。弹性刚度的受损通过两个变量来表示，dt和dc,并且这两个变量假设为塑性应变、温度和场变量的函数：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。如果代表材料的初始弹性刚度，那么单轴受拉和受压下的应力应变关系为：我们定有有效的受拉和受压应力为：有效应力决定了屈服面的大小。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，其中包含开裂和微裂缝的闭合

15、，还有他们之间的相互作用。试验观测得知：随着荷载方向的改变，会有一些弹性刚度的恢复。刚度恢复效应，也被称为单边效应，是混凝土在循环荷载下一个重要的表现。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，所以导致受压刚度的恢复。混凝土损伤塑性模型假设弹性模量的降低由标量损伤变量d给出其中代表材料的初始模量。该表达式包含了拉伸和压缩行为。刚度损伤变量d是应力状态和单轴损伤变量dt、dc的函数。对于单轴循环加载来说，ABAQUS假设：其中，st和sc是应力状态的函数，并且引进了模型刚度恢复效应：权重因子wt和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

16、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，材料的受压刚度完全恢复（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01之间代表刚度部分恢复。，3. 多轴行为对于一般的三维多轴状态，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。把之前描述的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的权重因子其中（）代表主应力分量。更多细节请参见“Damaged plasticity model for concrete and other quasi-brittle materials,” Sec

17、tion 4.5.2 of the Abaqus Theory Guide。四、 钢筋在ABAQUS中，混凝土结构一般是通过提供钢筋来进行加固，其中，钢筋是一种一维杆件，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，混凝土的行为则与钢筋无关。钢筋/混凝土界面效应，比如说粘结滑移和销栓作用通过引入混凝土拉伸硬化来近似模拟通过钢筋的裂缝荷载传递。详情请参见下面的拉伸硬化。在复杂的问题中，定义钢筋是一件非常繁杂的事情，但是准确定义钢筋又是一件非常重要的事情，因为如果在一个模型的关键部位缺少钢筋，那么这个模型很有可能就会失效。更多信息请参见“Defining rebar

18、as an element property,” Section 2.2.4。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的简单模拟。拉伸硬化在混凝土塑性损伤模型中定义。可以通过失效后的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，并作为开裂应变的函数。其中，如图23.6.3-3所示，为了避免可能的数值问题，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

19、应变：如果算出来的塑性应变值为负数或者随着开裂应变的增加而减少，ABAQUS将会报错，这就意味着拉伸损伤曲线是错误的。如果没有拉伸损伤，则。在钢筋很少或者没有钢筋的情况下，失效后的应力应变表达式的形式对于计算结构会引起网格的依赖性，也就是说有限元的预测结果不会因为网格的精细化而收敛到唯一解，这是因为网格的精细化会导致更窄的裂缝。当裂缝失效发生在一个局部化的地方或者网格精细化不会导致多余裂缝的产生时，通常就会出现上述问题。但是如果裂缝失效是均匀分布的（也许是由于钢筋的效应或者稳定弹性材料的出现），网格依赖性就没那么重要了。在钢筋混凝土的实际计算中，网格通常是这样子的，即每个单元都包含钢筋。钢筋与

20、混凝土的相互作用倾向于减少网格依赖性，只要给定一个合理的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的评估，拉伸硬化效应取决于钢筋密度、混凝土和钢筋的粘结质量、混凝土骨料相对于钢筋直径的尺寸、还有网格。对于钢筋相对较多并且为网格划分较细的混凝土，我们假设失效之后的应力软化导致应力直线下降到10倍失效应变。标准混凝土的失效应变一般是，这就意味着拉伸硬化导致应力降低到0的时候，总的应变为才是合理的。该参数应该根据特定的情况进行校准。拉伸硬化参数的选取是一件非常重要的事情，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，从而导致整个模型的响应出现临时不稳定。几乎没

21、有哪个实际的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的重要部位没有配置钢筋时，拉伸硬化的方法会导致不合理的网格依赖性。然而，从实用角度来说，Hillerborg的断裂能准则可以减少这种依赖性。Hillerborg使用脆性破坏的概念，把使单位面积的裂纹打开所需要的能量作为一个材料参数。使用这种方法，混凝土的脆性行为是通过应力-位移来描述而不是应力-应变曲线来描述。在拉力的作用下，混凝土试件的裂缝会经过某些截面，当该试件上大部分的应力都消除之后，该试件就已经被分开了（因此，未损伤的弹性应变很小），试件的长度将由裂缝开口决定，但是裂缝开口不依赖与

22、时间的长度。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的函数。该模型假设开裂之后强度是线性损失的。如下图所示：强度完全损失时的开裂位移为。一般来说，对于一般的混凝土结构，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-位移概念的应用需要相关集成点的特征长度的定义。特征开裂长度基于单元几何类型和方程：对于

23、一阶单元来说，这就是一个跨越一个单元的典型直线的长度，对于二阶单元来说，是一阶单元的一半长。对于梁和桁架来说，特征长度沿着单元的轴线。对于膜和壳单元来说是参考平面的特征长度。对于轴对称单元来说只是r-z平面的特征长度。对于粘结单元来说等于本构厚度。因为我们事先是不知道裂缝的方向的，所以我们需要定义一个特征裂缝长度。因此长宽比很大的单元根据他们开裂的方向将会有不同的行为：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的单元。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和材料导向的函数来减少。详情请参见“Defining the characteristic e

24、lement length at a material point in Abaqus/Explicit” in “Material data definition,” Section 21.1.2六、 定义压缩行为你可以定义素混凝土在单轴受压荷载下超出弹性范围的应力应变行为。压应力数据通过作为非弹性应变的表格函数来给出，如果需要的话，还可以与应变速率、温度和其他场变量有关。受压应力应变必须是正值。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。硬化数据是通过非弹性应变给出的，而不是塑性应变。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

25、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：如果算出来的塑性应变值为负或者随着非弹性应变的增长而减少，那么ABAQUS将会报错。如果没有受压损伤，那么。七、 定义损伤和刚度恢复损伤变量和/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，损伤变量被看做不会减少的材料属性。在每一个分析步里面，损伤变量的值都是取上一增量和当前增量的损伤变量的较大值。即：损伤参数的取值很重要，因为一般来说，过度损伤可能对收敛速度有很大的影响。建议损伤变量的取值不要超过0.99，这意味着刚度有99%的折减。1. 拉伸损伤你可以定义单轴拉伸损伤作为开裂应

26、变或者开裂位移的表格函数。2. 受压损伤你可以定义单轴受压损伤变量作为非弹性应变的表格函数。3. 刚度恢复如上所述，刚度恢复是混凝土受循环荷载力学响应的一个重要方面。ABAQUS允许用户直接定义刚度恢复因子和。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。这种行为就对应了和，这也是ABAQUS的默认值。八、 速率相关性准脆性材料的速率相关行为主要与高应变速率对微裂缝发展所产生的延迟效应。该效应在受拉荷载下显得尤为显著。随着应变速率的增长， 应力应变曲线的非线性程度会下降并且峰值应力

27、会提高。你可以定义拉伸硬化作为开裂应变速率的表格函数，定义压缩强化作为非弹性应变速率的表格函数。九、 混凝土塑性你可以通过定义流动势、屈服面和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：塑性流动势函数和屈服面要使用有效应力张量的两个应力不变量，即静水压力和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的塑性流动势函数。该模型使用的流动势函数为drucker-prager双曲线函数： 高围压力作用下p-q平面测量到的膨胀角 单轴的失效拉应力，从用户给定的拉伸硬化数据中 取得 一个参数，代表离心率，用来定义函数接近其渐近线的速率（当偏心率趋于0的时候，塑性流动

28、趋于直线）塑性流动是连续且光滑的，这样才能确保流动方向是唯一确定的。在高围压的时候，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“Models for granular or polymer behavior,” Section 4.4.2 of the Abaqus Theory Guide。流动势的离心率默认值为0.1，这也意味着在一个相当广的围压应力值范围内，材料有着几乎不变的膨胀角。离心率的增加会使得流动势更加弯曲，这意味着膨胀角的增长速度远远大于围压的下降速度。如果材料受到低围压，当离心率的值小于默认的值时，将会导致收敛问题，因为在和p轴相交的地方塑性势的局部过于曲率。3. 屈服函数该模型利用了Lubliner et.al.（1989）的屈服函数，并且经过lee and fenves的修正，用来描述在拉力和压力作用下强度的发展。屈服面的发展是由硬化变量和决定的。根据有效应力，屈服函数有如下形式： 有效主应力的最大值 双轴抗压等效屈服应力与单轴抗压屈服应力的比值，默认为1.16； 在给定的压力不变量下，拉子午线上的第二应力不变量与压子午线上的第二应力不变量的比值，必须满足的条件。