ANSYS整體式鋼筋混凝土模型算例
在土木工程結(jié)構(gòu)中，最為常用的一種結(jié)構(gòu)形式就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在各類房屋、水壩、橋梁、道路中都有廣泛應(yīng)用。ANSYS軟件提供了專門的鋼筋混凝土單元和材料模型。本算例將介紹ANSYS軟件分析混凝土一些基本應(yīng)用。
　　(1) 首先建立有限元模型，這里我們選用ANSYS軟件自帶的專門針對混凝土的單元類型Solid 65，進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，選擇添加Solid 65號混凝土單元。
　　(2) 點擊Element types窗口中的Options，設(shè)定Stress relax after cracking為Include，即考慮混凝土開裂后的應(yīng)力軟化行為，這樣在很多時候都可以提高計算的收斂效率。
　　(3) 下面我們要通過實參數(shù)來設(shè)置Solid 65單元中的配筋情況。進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加實參數(shù)類型1與Solid 65單元相關(guān)，輸入鋼筋的材料屬性為2號材料，但不輸入鋼筋面積，即這類實參數(shù)是素混凝土的配筋情況。
　　(4) 再添加第二個實參數(shù)，輸入X方向配筋為0.05，即X方向的體積配筋率為5%。
　　(5) 下面輸入混凝土的材料屬性。混凝土的材料屬性比較復(fù)雜，其力學(xué)屬性部分一般由以下3部分組成：基本屬性，包括彈性模量和泊松比;本構(gòu)關(guān)系，定義等效應(yīng)力應(yīng)變行為;破壞準(zhǔn)則，定義開裂強(qiáng)度和壓碎強(qiáng)度。下面分別介紹如下。
　　(6) 首先進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，輸入彈性模量和泊松比分別為30e9和0.2
　　(7) 下面輸入混凝土的等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這里我們選擇von Mises屈服面，該屈服面對于二維受力的混凝土而言精度還是可以接受的。在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，輸入混凝土的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖所示。
　　(8) 最后輸入混凝土的破壞準(zhǔn)則，在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Non-metal Plasticity-> Concrete，設(shè)定混凝土的裂縫張開剪力傳遞系數(shù)為0.5，裂縫閉合剪力傳遞系數(shù)為0.9，混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度為3e6，單軸抗壓強(qiáng)度為30e6，開裂軟化參數(shù)為1，其他空著使用默認(rèn)值。其參數(shù)具體意義參見《混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析》一書。
　　(9) 接著還要定義鋼筋材料性質(zhì)。在Define Material Model Behavior窗口菜單中選擇Material-> New，加入新的材料。添加以下屬性：Structural->Linear->Elastic->Isotropic，設(shè)定材料的彈性模量為2×109，泊松比為0.27。。進(jìn)入Structural-> Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent->Isotropic Hardening Plasticity->Mises Plasticity->Bilinear，設(shè)定屈服強(qiáng)度為310e6, 屈服后的切線模量為2e9。
　　(10) 下面開始建立幾何模型，進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Create-> Keypoints-> In Active CS，輸入以下兩個關(guān)鍵點坐標(biāo)(0,0,0)和(3,0,0)
　　(11) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Copy-> Keypoints，選擇剛才建立的兩個關(guān)鍵點，延Y軸方向復(fù)制0.05，然后再次選擇初次建立的關(guān)鍵點，延Y軸方向復(fù)制0.5。
　　(12) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Create-> Area-> Arbitrary-> Through KPs，選擇關(guān)鍵點1,2,4,3，建立第一個面，選擇關(guān)鍵點3,4,6,5，建立第二個面
　　(13) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Operate-> Extrude-> Areas-> By XYZ Offset，選擇剛才建立的兩個面，設(shè)定拉伸的高度為Z方向，距離為0.2，拉伸。完成幾何形體建模工作。得到的幾何體。
　　(14) 完成幾何建模后下面要開始進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先指定幾何體的物理屬性。進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Mesh Attributes-> Picked Volumes，選擇Volume 1(相對小一些的那個)，設(shè)定物理屬性如下，注意此時的實參數(shù)為配筋混凝土。
　　(15) 同樣選擇Volume 2，設(shè)定其物理屬性如圖，注意此時的實參數(shù)為素混凝土。
　　(16) 下面進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Size Cntrls-> Manual Size-> Global-> Size，設(shè)定單元最大尺寸為0.2。
　　(17) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Volumes-> Mapped-> 4 to 6 sided，選擇所有的實體，完成網(wǎng)格劃分。
　　(18) 完成建模后就可以進(jìn)入求解步驟。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Analysis Type-> New Analysis，設(shè)定分析類型為Static。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Analysis Type-> Sol'n Controls，在Solution Controls的Basic頁面設(shè)置預(yù)期分析子步數(shù)為20步，最小步數(shù)為20步，每步都輸出結(jié)果。
　　(19) 在Solution Controls窗口的Nonlinear頁面設(shè)置Always iteration to 25 equilibrium iterations，避免不必要的荷載步長折減。點擊Set convergence criteria，設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)為力的二范數(shù)，誤差容限為0.02。
　　(20) 進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes，選擇Node 3、35、16、48，添加Y方向位移約束。選擇Node 35，約束所有自由度，選擇Node 48，約束Z方向自由度。
　　(21) 下面輸入荷載。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes，選擇Node 75和123，添加Y方向位移荷載，大小為-0.01。
　　(22) 進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Solve-> Current LS，求解當(dāng)前荷載工況。中間會出現(xiàn)兩次警告信息，點擊繼續(xù)執(zhí)行(Proceed)
　　(23) 進(jìn)入ANSYS主菜單TimeHist Postproc時程后處理器，添加時程變量節(jié)點75的Y方向位移和Y方向反力。選擇用節(jié)點75的Y方向位移為橫坐標(biāo)，繪制Y方向反力。得到荷載位移曲線如圖。
　　(24) 選擇ANSYS頂部菜單PlotCtrls->Device Options，在Device Options窗口中設(shè)置Vector model (wireframe)為On。進(jìn)入ANSYS主菜單General Postproc->Plot Results->Concrete Plot-> Crack Crush，得到結(jié)構(gòu)最終混凝土裂縫分布
說明：本信息
　　在土木工程結(jié)構(gòu)中，最為常用的一種結(jié)構(gòu)形式就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在各類房屋、水壩、橋梁、道路中都有廣泛應(yīng)用。ANSYS軟件提供了專門的鋼筋混凝土單元和材料模型。本算例將介紹ANSYS軟件分析混凝土一些基本應(yīng)用。
　　(1) 首先建立有限元模型，這里我們選用ANSYS軟件自帶的專門針對混凝土的單元類型Solid 65，進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，選擇添加Solid 65號混凝土單元。
　　(2) 點擊Element types窗口中的Options，設(shè)定Stress relax after cracking為Include，即考慮混凝土開裂后的應(yīng)力軟化行為，這樣在很多時候都可以提高計算的收斂效率。
　　(3) 下面我們要通過實參數(shù)來設(shè)置Solid 65單元中的配筋情況。進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加實參數(shù)類型1與Solid 65單元相關(guān)，輸入鋼筋的材料屬性為2號材料，但不輸入鋼筋面積，即這類實參數(shù)是素混凝土的配筋情況。
　　(4) 再添加第二個實參數(shù)，輸入X方向配筋為0.05，即X方向的體積配筋率為5%。
　　(5) 下面輸入混凝土的材料屬性。混凝土的材料屬性比較復(fù)雜，其力學(xué)屬性部分一般由以下3部分組成：基本屬性，包括彈性模量和泊松比;本構(gòu)關(guān)系，定義等效應(yīng)力應(yīng)變行為;破壞準(zhǔn)則，定義開裂強(qiáng)度和壓碎強(qiáng)度。下面分別介紹如下。
　　(6) 首先進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，輸入彈性模量和泊松比分別為30e9和0.2
　　(7) 下面輸入混凝土的等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這里我們選擇von Mises屈服面，該屈服面對于二維受力的混凝土而言精度還是可以接受的。在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，輸入混凝土的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖所示。
　　(8) 最后輸入混凝土的破壞準(zhǔn)則，在Define Material Model Behavior 窗口中選擇Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Non-metal Plasticity-> Concrete，設(shè)定混凝土的裂縫張開剪力傳遞系數(shù)為0.5，裂縫閉合剪力傳遞系數(shù)為0.9，混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度為3e6，單軸抗壓強(qiáng)度為30e6，開裂軟化參數(shù)為1，其他空著使用默認(rèn)值。其參數(shù)具體意義參見《混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析》一書。
　　(9) 接著還要定義鋼筋材料性質(zhì)。在Define Material Model Behavior窗口菜單中選擇Material-> New，加入新的材料。添加以下屬性：Structural->Linear->Elastic->Isotropic，設(shè)定材料的彈性模量為2×109，泊松比為0.27。。進(jìn)入Structural-> Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent->Isotropic Hardening Plasticity->Mises Plasticity->Bilinear，設(shè)定屈服強(qiáng)度為310e6, 屈服后的切線模量為2e9。
　　(10) 下面開始建立幾何模型，進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Create-> Keypoints-> In Active CS，輸入以下兩個關(guān)鍵點坐標(biāo)(0,0,0)和(3,0,0)
　　(11) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Copy-> Keypoints，選擇剛才建立的兩個關(guān)鍵點，延Y軸方向復(fù)制0.05，然后再次選擇初次建立的關(guān)鍵點，延Y軸方向復(fù)制0.5。
　　(12) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Create-> Area-> Arbitrary-> Through KPs，選擇關(guān)鍵點1,2,4,3，建立第一個面，選擇關(guān)鍵點3,4,6,5，建立第二個面
　　(13) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Modeling-> Operate-> Extrude-> Areas-> By XYZ Offset，選擇剛才建立的兩個面，設(shè)定拉伸的高度為Z方向，距離為0.2，拉伸。完成幾何形體建模工作。得到的幾何體。
　　(14) 完成幾何建模后下面要開始進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先指定幾何體的物理屬性。進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Mesh Attributes-> Picked Volumes，選擇Volume 1(相對小一些的那個)，設(shè)定物理屬性如下，注意此時的實參數(shù)為配筋混凝土。
　　(15) 同樣選擇Volume 2，設(shè)定其物理屬性如圖，注意此時的實參數(shù)為素混凝土。
　　(16) 下面進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Size Cntrls-> Manual Size-> Global-> Size，設(shè)定單元最大尺寸為0.2。
　　(17) 進(jìn)入ANSYS主菜單Preprocessor-> Meshing-> Volumes-> Mapped-> 4 to 6 sided，選擇所有的實體，完成網(wǎng)格劃分。
　　(18) 完成建模后就可以進(jìn)入求解步驟。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Analysis Type-> New Analysis，設(shè)定分析類型為Static。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Analysis Type-> Sol'n Controls，在Solution Controls的Basic頁面設(shè)置預(yù)期分析子步數(shù)為20步，最小步數(shù)為20步，每步都輸出結(jié)果。
　　(19) 在Solution Controls窗口的Nonlinear頁面設(shè)置Always iteration to 25 equilibrium iterations，避免不必要的荷載步長折減。點擊Set convergence criteria，設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)為力的二范數(shù)，誤差容限為0.02。
　　(20) 進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes，選擇Node 3、35、16、48，添加Y方向位移約束。選擇Node 35，約束所有自由度，選擇Node 48，約束Z方向自由度。
　　(21) 下面輸入荷載。進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Nodes，選擇Node 75和123，添加Y方向位移荷載，大小為-0.01。
　　(22) 進(jìn)入ANSYS主菜單Solution-> Solve-> Current LS，求解當(dāng)前荷載工況。中間會出現(xiàn)兩次警告信息，點擊繼續(xù)執(zhí)行(Proceed)
　　(23) 進(jìn)入ANSYS主菜單TimeHist Postproc時程后處理器，添加時程變量節(jié)點75的Y方向位移和Y方向反力。選擇用節(jié)點75的Y方向位移為橫坐標(biāo)，繪制Y方向反力。得到荷載位移曲線如圖。
　　(24) 選擇ANSYS頂部菜單PlotCtrls->Device Options，在Device Options窗口中設(shè)置Vector model (wireframe)為On。進(jìn)入ANSYS主菜單General Postproc->Plot Results->Concrete Plot-> Crack Crush，得到結(jié)構(gòu)最終混凝土裂縫分布