基于ANSYS的鋼筋混泥土復合墻板力學性能分析

2017-11-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

復合墻板作為建筑結構中的主要保護構件,既要承擔載荷的作用,還要阻隔室內室外的熱交換。研發(fā)墻體的力學性能以及熱工性能,可為墻板的設計應用提供有力的依據。本文在基于前章對墻板熱學性能模擬分析的基礎上,采用ANSYS有限元分析軟件對墻板的力學性能進行模擬分析。

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,同時得到極限抗彎強度。

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和滑移;而分布式假定混凝土和鋼筋粘結很好,鋼筋在混泥土中均勻分布?；炷嗤羻卧话悴捎肧OLID65單元,可以定義實常數R,來定義配筋的材料以及配筋的參數,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。應根據實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單元進行模擬。模型的建立效果如下圖1所示。為了方便對模型進行網格的劃分和載荷的施加,我們對模型進行了不同位置處的切割。

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圖1 復合墻板的有限元模型

二、網格的劃分

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

W-W破壞準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,當然塑性是在開裂和壓碎之前,因為在材料破壞前才具有塑性。定義tb,concr matnum后僅僅是定義了混凝土的破壞準則和默認的本構關系,即W—W破壞準則(即混凝土開裂和壓碎前均為線性的應力應變關系,而開裂和壓碎后采用其給出的本構關系)。屈服準則可另外定義,隨材料的應力應變關系,在ANSYS里面有雙線性隨動強化模型、多線性隨動強化模型,雙線性等效強化模型、多線性等效強化模型。

本文混泥土的屈服準則選用的是多線性隨動強化模型,定義了混泥土模型的應力應變曲線;而鋼筋的屈服準則選用的是雙線性隨動強化模型。混泥土的應力應變曲線如圖2所示。

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圖2 混泥土多線性隨動強化模型應力-應變曲線

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

本文采用共用節(jié)點的方式進行solid65單元和beam188單元的劃分,beam188單元在定義的時候需要定義實常數,即梁單元橫截面相關的幾何參數。Solid65單元采用六面體網格化分方法,劃分時單元尺寸設置為30mm,網格劃分效果如下圖3所示。

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圖3 網格劃分示意圖 (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:通過對應的方法(比如特征值屈曲)估計結構的極限載荷的大致范圍,然后給結構施加一個稍大的載荷,打開自動載荷步二分法進行非線性靜力分析,最后計算會因不收斂而終止,則倒數第二個子步對應的就是結構的極限載荷;另外也可以采用弧長法,采用足夠的步數(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算結果中找出結構的極限載荷。
位移加載:給結構施加一個大的位移,打開自動載荷步二分法進行非線性分析,保證足夠的子步數,這樣也可以通過繪制載荷位移曲線或者查看相應結果文件知道結構的極限載荷。

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,有材料的應力——應變曲線可知,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,根據上一次的彈性模量求位移,進而求得應變,根據材料的應力-應變曲線,得到材料此位移下材料的真實彈性模型,與上一步的彈性模量指進行對比,進而更新第一次用的彈性模量,反復更新才能計算收斂。而位移加載,直接算得應變,根據材料的應力-應變曲線,可得到彈性模量,進而得到力,不用反復更新彈性模量,求解效率大大提高。

本文采用第二種求解方式,在復合墻板的正中加一個大的位移,根據底部固定節(jié)點的反力從而得到加載復合墻板上的載荷,同時利用acel命令流對鋼筋混泥土的重量進行加載。相應的加載曲線如下圖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混泥土的非線性計算收斂是非常困難的。主要影響因素有網格密度、子步數、收斂準則等。

網格密度:網格密度適當能夠收斂。不是網格越密越好,當然太稀疏也不行,這僅僅是就收斂而言的,不考慮計算時間問題。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試。
子步數:NSUBST的設置很重要,設置太大或太小都不能達到正常收斂。這點可以從收斂過程圖看出,如果F范數曲線在[F]曲線上面走形的很長,可考慮增大nsubst。或者根據經驗慢慢調正試算。
收斂精度:實際上收斂精度的調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%(默認是0.5%),且使用力收斂條件即可。我們看到求解時ANSYS求解結果的曲線一個是收斂準則(通常為F、U、M),另外一個是相應計算出來用以和收斂準則進行比較的結果值。其中用以比較的為F矩陣的2階范數(默認)、U矩陣的無窮大范數(默認)、M矩陣的2階范數(默認)。關于矩陣范數的概念,在研究生的數值計算中會講到,當所有求解結果相應的范數小于收斂準則時,Ansys認為結果有效,從而進行下一步的求解?？梢允褂肅NVTO來改變相應的收斂準則。
混凝土壓碎的設置:不考慮壓碎時,計算相對容易收斂;而考慮壓碎則比較難收斂,即便是沒有達到壓碎應力時。如果是正常使用情況下的計算,建議關掉壓碎選項;如果是極限計算,建議使用concr+MISO且關閉壓碎檢查;如果必設壓碎檢查,則要通過大量的試算(設置不同的網格密度、NSUBST)以達到目的,但也很困難。
其他選項:如線性搜索、預測等項也可以打開,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、預測選項、位移、力、力矩的收斂準則為5%,平均子步數為200。

五、結果的分析

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,模型所受的力隨位移的增大而增大,當位移為0.48891mm時,載荷達到最大為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?？芍?在位移為0.489mm時,混泥土發(fā)生斷裂,因為當混泥土發(fā)生斷裂的時候,力會隨著位移的上升而突然下降。此時承受的力為2.538kn,即模型能承受的極限載荷為2.538kn。