基于ANSYS的鋼筋混泥土復(fù)合墻板力學(xué)性能分析

2017-11-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

復(fù)合墻板作為建筑結(jié)構(gòu)中的主要保護(hù)構(gòu)件,既要承擔(dān)載荷的作用,還要阻隔室內(nèi)室外的熱交換。研發(fā)墻體的力學(xué)性能以及熱工性能,可為墻板的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供有力的依據(jù)。本文在基于前章對墻板熱學(xué)性能模擬分析的基礎(chǔ)上,采用ANSYS有限元分析軟件對墻板的力學(xué)性能進(jìn)行模擬分析。

本文的模型采用的為夾心墻體,單元采用固體單元和梁單元,材料選用混泥土和鋼筋材料,得到了夾心墻體力與位移載荷的曲線,同時(shí)得到極限抗彎強(qiáng)度。

一、模型的處理方式

ANSYS中對鋼筋混凝土墻板模型的處理方式主要分為兩種:分離式和分布式。分離式模型主要考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移;而分布式假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好,鋼筋在混泥土中均勻分布。混泥土單元一般采用SOLID65單元,可以定義實(shí)常數(shù)R,來定義配筋的材料以及配筋的參數(shù),如:體積率、方向角等。分離式模型需要用到link單元或者beam單元,link單元不能承受彎曲,而beam單元可以承受彎曲。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的單元。

本文選用的是分離式混泥土模型,采用SOLID65+beam188單元進(jìn)行模擬。模型的建立效果如下圖1所示。為了方便對模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和載荷的施加,我們對模型進(jìn)行了不同位置處的切割。

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圖1 復(fù)合墻板的有限元模型

二、網(wǎng)格的劃分

混凝土的本構(gòu)關(guān)系可以分為線彈性、非線性彈性、彈塑性及其它力學(xué)理論等四類,其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構(gòu)關(guān)系,其中不乏實(shí)用者。采用tb,concr,matnum則定義了W-W破壞準(zhǔn)則(failure criterion),而非屈服準(zhǔn)則(yield criterion)。定義tb,concr一般需要定義四個(gè)參數(shù),分別為開口剪力傳遞系數(shù)(一般設(shè)為0.3~0.5)、閉口剪力傳遞系數(shù)(一般設(shè)為0.9~1)、單軸抗拉強(qiáng)度以及單軸抗壓強(qiáng)度。

W-W破壞準(zhǔn)則是用于檢查混凝土開裂和壓碎用的,混凝土的塑性可以另外考慮,當(dāng)然塑性是在開裂和壓碎之前,因?yàn)樵诓牧掀茐那安啪哂兴苄?。定義tb,concr matnum后僅僅是定義了混凝土的破壞準(zhǔn)則和默認(rèn)的本構(gòu)關(guān)系,即W—W破壞準(zhǔn)則(即混凝土開裂和壓碎前均為線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,而開裂和壓碎后采用其給出的本構(gòu)關(guān)系)。屈服準(zhǔn)則可另外定義,隨材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,在ANSYS里面有雙線性隨動強(qiáng)化模型、多線性隨動強(qiáng)化模型,雙線性等效強(qiáng)化模型、多線性等效強(qiáng)化模型。

本文混泥土的屈服準(zhǔn)則選用的是多線性隨動強(qiáng)化模型,定義了混泥土模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線;而鋼筋的屈服準(zhǔn)則選用的是雙線性隨動強(qiáng)化模型?；炷嗤恋膽?yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

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圖2 混泥土多線性隨動強(qiáng)化模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

網(wǎng)格的劃分中,如果是分離式模型,則混泥土節(jié)點(diǎn)需要與鋼筋節(jié)點(diǎn)采用耦合,或者利用相同的節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行連接?？紤]到收斂問題,一般混泥土的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)小于5mm。

本文采用共用節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行solid65單元和beam188單元的劃分,beam188單元在定義的時(shí)候需要定義實(shí)常數(shù),即梁單元橫截面相關(guān)的幾何參數(shù)。Solid65單元采用六面體網(wǎng)格化分方法,劃分時(shí)單元尺寸設(shè)置為30mm,網(wǎng)格劃分效果如下圖3所示。

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圖3 網(wǎng)格劃分示意圖 (a)solid65單元(b)beam188單元

三、載荷的加載

對于ANSYS求混泥土的極限載荷有兩種加載方式:

力加載:通過對應(yīng)的方法(比如特征值屈曲)估計(jì)結(jié)構(gòu)的極限載荷的大致范圍,然后給結(jié)構(gòu)施加一個(gè)稍大的載荷,打開自動載荷步二分法進(jìn)行非線性靜力分析,最后計(jì)算會因不收斂而終止,則倒數(shù)第二個(gè)子步對應(yīng)的就是結(jié)構(gòu)的極限載荷;另外也可以采用弧長法,采用足夠的步數(shù)(弧長法一直可以分析到極限載荷承載力之后的過程)同樣可以從繪制的載荷位移曲線或計(jì)算結(jié)果中找出結(jié)構(gòu)的極限載荷。
位移加載:給結(jié)構(gòu)施加一個(gè)大的位移,打開自動載荷步二分法進(jìn)行非線性分析,保證足夠的子步數(shù),這樣也可以通過繪制載荷位移曲線或者查看相應(yīng)結(jié)果文件知道結(jié)構(gòu)的極限載荷。

本文采用位移加載的方式。相對于力加載,位移加載在求解速度上更有優(yōu)勢。原因如下:涉及到塑性求解時(shí),有材料的應(yīng)力——應(yīng)變曲線可知,材料的彈性模量不是定值,每一步求解中的材料彈性模量利用的是上一步的彈性模量值,而加載力之后,根據(jù)上一次的彈性模量求位移,進(jìn)而求得應(yīng)變,根據(jù)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,得到材料此位移下材料的真實(shí)彈性模型,與上一步的彈性模量指進(jìn)行對比,進(jìn)而更新第一次用的彈性模量,反復(fù)更新才能計(jì)算收斂。而位移加載,直接算得應(yīng)變,根據(jù)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可得到彈性模量,進(jìn)而得到力,不用反復(fù)更新彈性模量,求解效率大大提高。

本文采用第二種求解方式,在復(fù)合墻板的正中加一個(gè)大的位移,根據(jù)底部固定節(jié)點(diǎn)的反力從而得到加載復(fù)合墻板上的載荷,同時(shí)利用acel命令流對鋼筋混泥土的重量進(jìn)行加載。相應(yīng)的加載曲線如下圖4所示。

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圖4 墻板的位移加載示意圖

四、求解器的控制

ANSYS混泥土的非線性計(jì)算收斂是非常困難的。主要影響因素有網(wǎng)格密度、子步數(shù)、收斂準(zhǔn)則等。

網(wǎng)格密度:網(wǎng)格密度適當(dāng)能夠收斂。不是網(wǎng)格越密越好,當(dāng)然太稀疏也不行,這僅僅是就收斂而言的,不考慮計(jì)算時(shí)間問題。但是究竟多少合適,沒有找到規(guī)律,只能靠自己針對情況慢慢調(diào)試。
子步數(shù):NSUBST的設(shè)置很重要,設(shè)置太大或太小都不能達(dá)到正常收斂。這點(diǎn)可以從收斂過程圖看出,如果F范數(shù)曲線在[F]曲線上面走形的很長,可考慮增大nsubst。或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)慢慢調(diào)正試算。
收斂精度:實(shí)際上收斂精度的調(diào)正并不能徹底解決收斂的問題,但可以放寬收斂條件以加速收斂。一般工程引用為不超過5%(默認(rèn)是0.5%),且使用力收斂條件即可。我們看到求解時(shí)ANSYS求解結(jié)果的曲線一個(gè)是收斂準(zhǔn)則(通常為F、U、M),另外一個(gè)是相應(yīng)計(jì)算出來用以和收斂準(zhǔn)則進(jìn)行比較的結(jié)果值。其中用以比較的為F矩陣的2階范數(shù)(默認(rèn))、U矩陣的無窮大范數(shù)(默認(rèn))、M矩陣的2階范數(shù)(默認(rèn))。關(guān)于矩陣范數(shù)的概念,在研究生的數(shù)值計(jì)算中會講到,當(dāng)所有求解結(jié)果相應(yīng)的范數(shù)小于收斂準(zhǔn)則時(shí),Ansys認(rèn)為結(jié)果有效,從而進(jìn)行下一步的求解?？梢允褂肅NVTO來改變相應(yīng)的收斂準(zhǔn)則。
混凝土壓碎的設(shè)置:不考慮壓碎時(shí),計(jì)算相對容易收斂;而考慮壓碎則比較難收斂,即便是沒有達(dá)到壓碎應(yīng)力時(shí)。如果是正常使用情況下的計(jì)算,建議關(guān)掉壓碎選項(xiàng);如果是極限計(jì)算,建議使用concr+MISO且關(guān)閉壓碎檢查;如果必設(shè)壓碎檢查,則要通過大量的試算(設(shè)置不同的網(wǎng)格密度、NSUBST)以達(dá)到目的,但也很困難。
其他選項(xiàng):如線性搜索、預(yù)測等項(xiàng)也可以打開,以加速收斂,但不能根本解決問題。

本文在求解器的控制中打開了大變形選型、預(yù)測選項(xiàng)、位移、力、力矩的收斂準(zhǔn)則為5%,平均子步數(shù)為200。

五、結(jié)果的分析

模型的載荷—位移曲線如下圖5所示。由圖5可知,在變形量為0~0.489mm時(shí),模型所受的力隨位移的增大而增大,當(dāng)位移為0.48891mm時(shí),載荷達(dá)到最大為2.538kn,而后隨著位移的增大,力迅速下降,后隨著位移的增大力緩慢上升。可知,在位移為0.489mm時(shí),混泥土發(fā)生斷裂,因?yàn)楫?dāng)混泥土發(fā)生斷裂的時(shí)候,力會隨著位移的上升而突然下降。此時(shí)承受的力為2.538kn,即模型能承受的極限載荷為2.538kn。