論壇精華丨ADINA混凝土計(jì)算專(zhuān)題——如何實(shí)現(xiàn)收斂的參數(shù)設(shè)定建議

2016-11-11 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

壇子里面不少朋友在問(wèn)一些混凝土非線性計(jì)算的問(wèn)題,包括單調(diào)加載的計(jì)算和滯回分析計(jì)算。如果是單調(diào)加載計(jì)算,對(duì)adina而言,確實(shí)太“小菜”,你可以把構(gòu)架壓到遍布“傷痕”,甚至有實(shí)驗(yàn)條件,還能獲得和試驗(yàn)對(duì)比很優(yōu)質(zhì)的對(duì)比結(jié)果,這個(gè)帖子不想過(guò)多糾纏在這個(gè)論題上,因?yàn)闇胤治鲞h(yuǎn)比單調(diào)加載復(fù)雜,對(duì)非線性計(jì)算的要求也更高,因此,專(zhuān)門(mén)談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題——加之進(jìn)來(lái)不少朋友似乎對(duì)這個(gè)感興趣。

混凝土模型主要包含兩大類(lèi),一類(lèi)是型鋼砼組合模型,一類(lèi)是純粹的鋼筋混凝土模型(普通鋼筋混凝土模型或者預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土模型),這兩類(lèi)模型我都做過(guò)一些簡(jiǎn)單的測(cè)試計(jì)算,也做過(guò)一些針對(duì)工程復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算。從說(shuō)明問(wèn)題的角度來(lái)說(shuō),越簡(jiǎn)單的模型其實(shí)越有說(shuō)服力,比如簡(jiǎn)單的H型砼鋼組合梁,鋼筋混凝土梁,T型的框架梁柱節(jié)點(diǎn),等等。由于純粹的鋼結(jié)構(gòu)模型,其材料即使在大幅度流塑變形以后(沒(méi)有撕裂之前),也基本是連續(xù)介質(zhì)材料,因此這一類(lèi)模型對(duì)非線性計(jì)算沒(méi)有什么大的考驗(yàn),大多數(shù)CAE程序都能解決,在此不再贅述。就兩類(lèi)混凝土模型而言,由于混凝土開(kāi)裂之后變?yōu)椴贿B續(xù)材料,物理響應(yīng)的震蕩更大一些,非常容易導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散問(wèn)題,因此這個(gè)問(wèn)題確實(shí)很困擾人。但目前就個(gè)人的使用體會(huì)而言,依據(jù)做的過(guò)算例,結(jié)合adina的計(jì)算結(jié)果以及收斂性來(lái)說(shuō),雖有些小小的不盡人意,但總體還不錯(cuò),參數(shù)設(shè)置好之后,一般都能越過(guò)屈服位移之后繼續(xù)3-6個(gè)滯回圈(視滯回增量不同,每一個(gè)滯回過(guò)程2-3個(gè)循環(huán)——可能和一般的循環(huán)加載規(guī)定有小的差異,主要是為了減少計(jì)算消耗),所謂的“小小的不盡人意”主要針對(duì)純粹的鋼筋混凝土模型而言(這其實(shí)也是所有的非線性程序需要克服的地方)。以型鋼混凝土模型來(lái)說(shuō),從結(jié)果來(lái)看,后期的滯回耗能主要靠鋼結(jié)構(gòu)部分提供耗散能力(和純鋼結(jié)構(gòu)模型的滯回特征有一些相似性),因此其計(jì)算收斂性更好,和鋼筋混凝土模型相比,這可能是鋼結(jié)構(gòu)部分提供了較好的耗散能力所致,雖然混凝土開(kāi)裂以后,非線性計(jì)算容易發(fā)散,但在出現(xiàn)由于數(shù)值原因或者物理原因?qū)е碌膽?yīng)變、應(yīng)力震蕩時(shí),鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)順利完成“交班”工作,這很大程度上可能也提高了數(shù)值收斂性,而且,adina優(yōu)異的非線性計(jì)算能力提供了一系列強(qiáng)制收斂的技術(shù),這在一定程度克服了數(shù)值原因?qū)е碌陌l(fā)散問(wèn)題(實(shí)際上絕大多數(shù)情況下,包含混凝土的模型不收斂主要原因是數(shù)值計(jì)算方法和參數(shù)模型所致,因此,視程序不同,各自的非線性能力對(duì)各種問(wèn)題的適應(yīng)性差異較大)。純粹的鋼筋混凝土模型,混凝土是提供模型主要?jiǎng)偠鹊囊蛩?鋼筋雖然能夠提高模型的延性和總體承載力,但其能力和組合砼模型相比較就差得較遠(yuǎn)了。就adina程序而言,根據(jù)個(gè)人的一部分計(jì)算經(jīng)驗(yàn),其提高非線性收斂能力的影響參數(shù)主要包含一下幾點(diǎn)(一時(shí)之間可能沒(méi)有概括完),貢獻(xiàn)給大家:

1、adina獨(dú)有的微動(dòng)力阻尼系數(shù)對(duì)收斂性影響較大,這種技術(shù)將靜力過(guò)程當(dāng)做微動(dòng)力過(guò)程來(lái)處理,通過(guò)設(shè)置合理的微動(dòng)力阻尼系數(shù)(0.001-0.2)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量步(1-1000),可以顯著加強(qiáng)收斂,但同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致“假”的動(dòng)力效應(yīng),產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)值震蕩。

2、非協(xié)調(diào)元雖然精度較高(可以線性積分單元的形式獲得高次多節(jié)點(diǎn)單元的精度),但代價(jià)是收斂性變差,因此推薦采用協(xié)調(diào)元。

3、提高混凝土單元的積分階次(2-4次)可以有效提高計(jì)算精度和收斂性,但速度有一定降低,3次或者以下速度降低不明顯,同時(shí),為了增加鋼筋和混凝土單元的協(xié)調(diào)性,建議鋼筋采用2次或者以上的單元(避免局部過(guò)“剛”導(dǎo)致的局部應(yīng)力震蕩問(wèn)題影響收斂)。

4、采用稀疏矩陣算法或者多重網(wǎng)格法均有較高的收斂性和精度,具體選擇什么算法,可以視計(jì)算規(guī)模和試驗(yàn)確定,一般情況下,多重網(wǎng)格法計(jì)算速度快一些,特別是模型較大的時(shí)候。

5、型鋼和混凝土的連接通過(guò)剛性連桿約束或者約束方程都可以,一般把型鋼或者鋼筋節(jié)點(diǎn)設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)。這樣對(duì)精度和收斂性都有好處(有些時(shí)候可能還和兩者的網(wǎng)格疏密有關(guān),當(dāng)然你也可以在分網(wǎng)時(shí),讓兩者網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)連續(xù),但不具備操作性)

6、型鋼或者鋼筋與混凝土之間可以設(shè)置彈簧單元實(shí)現(xiàn)滑移模擬,但這個(gè)彈簧剛度多少呢,誰(shuí)也不敢拍著胸口說(shuō)。而且這種建模方式對(duì)復(fù)雜模型基本不具備操作性,偶爾做兩根簡(jiǎn)單構(gòu)件,算著玩,可以試試,當(dāng)然對(duì)搞兩篇豆腐塊有一定的幫助。所以,快刀斬亂麻,這個(gè)東西就別考慮了(個(gè)人意見(jiàn)),至少我現(xiàn)階段不會(huì)考慮這個(gè)東西。

7、計(jì)算收斂容差雖然會(huì)導(dǎo)致精度變差,但我確實(shí)不知道對(duì)于高度非線性問(wèn)題,0.05和0.001甚至0.1有什么明顯的差異,建議這個(gè)參數(shù)適當(dāng)放大,幫助收斂,收斂準(zhǔn)則有限采用位移準(zhǔn)則或者能量準(zhǔn)則。

8、對(duì)于普通鋼筋混凝土模型,不推薦采用rebar+彌散開(kāi)裂模型的方式進(jìn)行處理,從幾個(gè)算例的分析比較來(lái)看(也有個(gè)別鋼筋混凝土模型計(jì)算得非常不錯(cuò)),rebar模式得到的滯回包絡(luò)和混凝土的本構(gòu)曲線類(lèi)似,個(gè)人以為這是不正常的,至少?zèng)]有反映出鋼筋的貢獻(xiàn),推薦的方式還是鋼筋骨架(beam)+彌散開(kāi)裂模式的做法,這種方式實(shí)際上收斂性不如rebar方式,但其結(jié)果似乎合理一些。rebar模式出現(xiàn)類(lèi)似混凝土本構(gòu)的滯回特征,究其原因,個(gè)人以為,可能和程序?qū)ebar的處理方式有關(guān),也許,這種模式就只是把rebar當(dāng)成了混凝土的增強(qiáng)纖維,也就是混凝土材料的一種“內(nèi)部成分”,實(shí)際不是這樣的,鋼筋骨架的剛度貢獻(xiàn)和強(qiáng)度貢獻(xiàn)應(yīng)該不算小(少筋構(gòu)件除外),基于這樣的思路,也許采用梁?jiǎn)卧Ｊ教幚礓摻羁赡芨线m,而且梁?jiǎn)卧纬傻匿摻罟羌芫哂蟹€(wěn)定性,就計(jì)算收斂而言,應(yīng)該比桁架單元更有優(yōu)勢(shì)。我曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼筋混凝土模型在adina和midas中對(duì)比計(jì)算,由于midas本身的原因,比較兩者彈性階段的承載力結(jié)果非常吻合,包括撓度變形。
9、混凝土本構(gòu)模型,很多人習(xí)慣采用單軸加載的混凝土本構(gòu)模式,個(gè)人推薦采用循環(huán)加載模式下的本構(gòu)模式,這種模式在壓碎階段的極限應(yīng)變更大一些,對(duì)收斂性有一定幫助,具體可以參考相關(guān)的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)。至于鋼筋或者鋼材的材料本構(gòu),建議用MKIN或者BKIN就夠了(混合模型是一個(gè)新模型,但在理論手冊(cè)上沒(méi)找到相關(guān)資料,有資料的朋友不妨貢獻(xiàn)出來(lái),謝謝了),雖然很多人指出這兩種模型有一些缺陷(似乎較粗),但看了他們改進(jìn)的模型,似乎精度提高也不大,同樣個(gè)別時(shí)候存在著偏差很大的情況。況且,模型和試驗(yàn)的精度對(duì)比不能絕對(duì)以試驗(yàn)為依據(jù),做過(guò)實(shí)驗(yàn)的人都知道,對(duì)于復(fù)雜模型,試驗(yàn)的加載條件和邊界設(shè)置懸著呢,誰(shuí)敢說(shuō)試驗(yàn)就一定是標(biāo)準(zhǔn)和原則呢..........

個(gè)人意見(jiàn),歡迎補(bǔ)充和指正!
附圖是一些簡(jiǎn)單的計(jì)算案例的結(jié)果圖片(算著玩,不針對(duì)任何工程實(shí)際,有興趣做的朋友隨便設(shè)計(jì)參數(shù)吧,反正是搞著玩)。單純針對(duì)程序計(jì)算能力而言,結(jié)果還不錯(cuò)。