abaqus有限元分析报告开裂梁要点Word格式.docx
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弹性模量为Ec=28020MPa,泊松比ν=0.2
2.建模过程
1)Part
打开ABAQUS使用功能模块,弹出窗口CreatePart,参数为:
Name:
beam;
ModelingSpace:
2D;
Type:
Deformable;
BaseFeature─Shell;
Approximatesize:
2000。
点击Continue进入Sketch二维绘图区。
由于该梁关于Y轴对称,建模的时候取沿X轴的一半作为模拟对象。
使用功能模块,分别键入独立点(0,0),(1600,0),(1600,406),(406,0),(0,0)并按下下方提示区的Done,完成草图。
图2.1beam部件二维几何模型
相同的方法建立混凝土垫块:
图2.2plate部件二维几何模型
所选用的点有(0,0),(40,0),(40,10),(0,10)
受压区钢筋:
在选择钢筋的basefeature的时候选择wire,即线模型。
图2.3compressionbar部件二维几何模型
选取的点(0,0),(1575,0)
受拉区钢筋:
图2.4tensionbar部件二维几何模型
箍筋:
图2.5stirrup部件二维几何模型
选取的点为(0,0),(0,330)
另外,此文里面为了作对比,部分的模型输入尺寸的时候为m,下面无特别说明尺寸都为mm。
2)Property
Module中选择property,然后选择功能模块对不同的材料进行赋值,下面是各种材料输入时候的数据:
1 混凝土本构关系:
模型一:
(该模型的尺寸单位为m)在弹出的对话框中命名为beam,在Mechanical选项中点击Elastic,在Young’sModulus中输入28020000000,Poisson’sRatio为0.2;
类似的方法找到ConcreteDamagedPlasticity,按混凝土结构设计规范对受压取点8个,受拉取点7个。
下面是计算过程:
由规范中附录C中C2混凝土本构关系:
C.2.3混凝土单轴受拉的应力-应变曲线公式:
,所用参数可以参考规范(混凝土结构设计规范GB50010-2010)
C.2.4混凝土单轴受压的应力-应变曲线公式:
,所用参数可以参考规范
以及塑性应变与总应变的关系:
,其中
,与上式相同
借助matlab软件计算受压、拉时的本构关系方程,其中塑性应变分别取0、0.0005、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.008得对应应力为23171225.88、35072364.4、32320980.31、24236963.88、17763125.96、13340141.18、10334750.06、5892086.123;
开裂应变分别取0、0.001、0.003、0.005、0.008、0.01、0.05得对应应力2721000、2648625.968、875761.085、511922.937、334706.391、50489.31、16333.482。
由于水平限制,算得的受拉损伤因子未能通过abaqus的算前检测,这里没有输入。
模型二:
(该模型单元尺寸为m)Elastic中的设置与模型一相同,计算其本构关系的时候按照文献Finite-ElementModelingofIntermediateCrackDebondinginFRP-PlatedRCBeams,G.M.Chen中的公式:
单轴受压:
,所用参数可见于引用的文献;
受压的时候为了寻找输入塑性应变的起始点,令abaqus中提供的应力--应变输入方式的名义值与真实值关系公式为0,有:
解之得:
22.76652048MPa,0.00081284,0。
从点0.00081284开始以步长0.0002得到83个点。
在输入到abaqus前使用公式
进行转换,输入的具体值可见附录。
单轴受拉:
,所用参数可见于引用文献;
由于hc为裂缝带宽(上面提到的文献中也命名为平面四节点单元的特征裂缝长度),取,其中e为单元网格长度,这里取10mm,即hc为14mm。
在清华江见鲸或者J.G.ROTS撰写的文献中都能找到其他单元类型的hc与e的换算公式,这里提到的hc也可称为Lcr,这提供了把本文中的开裂位移转化为开裂应变的方法:
对wt进行离散是采用前密后疏的方法,一开始的10个点步长为0.00012,中间,28个点步长为0.0012,最后13个点步长为0.006,加上零点一共53个点。
把位移转换成应变以后,同样地,使用名义值--真实值的转换公式得到数据,具体数值可见于附录。
由于水平问题,算得的受拉损伤因子未能通过abaqus的算前检测,这里没有输入。
模型三:
该模型使用的尺寸单位为mm,受压时的取值只需在模型二的取值基础上进行单位换算即可。
本构关系的输入方式为应力--位移的方法,在输入类型中选择Displacement
对wt进行离散,取等步长0.0012,共51个点。
这里还进行了受拉损伤因子dt的计算,按公式:
,具体数据可见附录。
2 钢筋本构关系:
类似的,把钢筋的杨氏模量输入到Elastic中,三个模型的受拉受压钢筋都是200GPa,在Plastic中按照名义值--真实值得方法,取得两个点:
屈服强度440MPa,塑性应变为0;
屈服强度448.8MPa,塑性应变为0.02。
箍筋的屈服强度取596MPa,塑性应变为0。
3 垫块的本构关系:
这里垫块的本构可以按混凝土的本构输入,也可以按钢筋的输入,为了方便计算取钢筋的本构关系作为其材料属性。
建立完本构关系后需对混凝土等截面属性进行赋值,点击,弹出CreateSection对话框,将Category设为solid,Type设为Homogeneous,其余参数保持默认,点击Continue,material为beam,thickness为203mm,垫块也是类似的输入方式;
对于钢筋,Category设为beam,Type设为truss,如受拉钢筋,由文献得直径为16mm,面积为200.96(mm2),由于同一水平面上有两根,取值402;
受压钢筋和箍筋分别按直径9.5mm和7mm计算。
然后再同一个环境栏中使用,提示区要求用户选择赋予截面的部件,分别对上述创建过的部件赋予材料属性,完成操作。
3)Assembly
进入Assembly模块,如图2.6装配完毕的模型所示进行装配。
图2.6装配完毕的模型
垫块的位置和钢筋的布置严格按照文献Finite-ElementModelingofIntermediateCrackDebondinginFRP-PlatedRCBeams,G.M.Chen进行。
为了后期布置网格时候的方便,使用对所有钢筋进行组合,然后对组合后的钢筋在模型树中的instance进行操作‘makeindependent’。
4)Step
在环境栏的Module列表中进入Step模块。
点击如下图进行设置:
图2.7Step-1的Basic选项
图2.8Step-1的Incrementation选项
图中,Minimum不需要设置很小,Maximumnumberofincrements也不需要设置很大,当模型真的不收敛的时候这两项的影响比较小,Maximun的设置回影响到Job中计算时的总增量步数目。
5)Interaction
图2.9约束管理器
图2.10加载点coupling约束
图2.11钢筋与混凝土的embededregion约束
图2.12垫块与混凝土梁的tie约束
按照上述图示的对象设置相关约束,完毕后结束该操作。
6)Load
如下图所示,在环境栏的Module列表中选择Load模块,进行荷载与边界条件的定义。
1 定义边界条件
点击,弹出对话框createboundarycondition,step选择initial,category选择mechanical,typesforselectedstep选择symmetry/antisymmetry/encastre,点击continue,选择对称轴,边界类型选择XSYMM(锁定转角是因为对称的位置需要承受弯矩)。
对于垫块上的边界条件,step选择initial,category选择mechanical,typesforselectedstep选择displacement/rotation,点击continue,然后选择左下角垫块下部的最左边角点(这里选择下部的边上一点就可以,具体的位置对模拟影响不大)上约束类型限制U2。
图2.13梁的约束示意图
2 施加荷载
这里采用的是位移加载法,设置见图2.14。
图2.14位移和在的施加
上图中,U2是施加在Y轴方向上的位移,负号指向向下,模型一为-0.02(单位为米)、模型二为-0.02(单位为米)、模型三为-3(单位为毫米)
7)Mesh
首先使用工具对钢筋单元默认的beam单元更改为truss单元。
然后使用对整个模型进行撒种,撒种之前可以使用控制网格类型。
撒种以后点击对整个模型进行网格划分,效果如下:
图2.15网格单元30mm×
30mm效果图(模型一)
图2.16网格单元10mm×
10mm效果图(模型二、模型三)
3.计算结果
1)Job
在环境栏的Module列表中选择Job功能模块进行作业提交
1 创建分析作业
点击工具,弹出createjob对话框,source分别选择模型Model-1(模型一)、Model-lcr(模型二)、Model-mm(模型三),建立的JobName,对应为num-1、11-19、11-16costom,完成作业生成。
2 提交分析
点击工具(JobManager),分别对三个模型submit,可以再status中看到经历的submitted--running--completed的过程。
2)Visualization
1 在住菜单JobManager,中点击Results,如下图方法查看裂缝效果图:
该界面下编号①中可更改为LE(对数应变);
②进入云图显示,旁边的管理器可以对输入的云图参数进行设置;
③则为具体输出的模拟结果曲线图等的操作工具。
分析:
从图3.2中可见网格较大的时候,裂缝也显示得比较大,选取的点数较少,也可能是导致裂缝出现的数目比较少的原因;
模型二在加载处左端的裂缝都基本能沿450发展,中轴到加载点之间的水平空间,裂缝呈竖直,很好的反应了该位置不受剪力,只是受到弯矩导致裂缝开裂的效果;
模型三位移荷载只能加载到3mm,裂缝出现,但并不明显,可见于图3.4,图3.5在元模型的基础上修改粘结系数为0.0005(原为0),裂缝出现,但裂缝开展与理论有差距,从图上看可发现和模型二的