基于abaqus的混凝土静力性能仿真分析.docxVIP

基于abaqus的混凝土静力性能仿真分析 混凝土作为一种重要的建筑材料，已有100多年的历史，并广泛应用于各行各业。目前常采用试验以及数值模拟的方法来研究混凝土结构的力学性能。试验结果比较直观、可靠,但费用高、周期长、受试验条件影响较大。随着计算机技术和有限元数值模拟方法的发展,有限元法已成为研究混凝土结构性能的一种重要手段。在混凝土结构的数值分析中,必须考虑混凝土结构组成材料的力学性能。其中,混凝土本构模型对钢筋混凝土结构分析结果有重要影响。在建立混凝土的本构模型时往往基于已有的理论框架,如弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性、弹粘塑性理论、断裂力学理论、损伤力学理论和内时理论等。由于混凝土材料的复杂性,还没有哪一种理论已被公认可以完全描述混凝土材料的本构关系。混凝土的本构关系主要是表达混凝土在多轴应力作用下的应力—应变关系,应力—应变曲线由上升段和下降应变软化段组成,特别是对下降段,它具有裂缝逐渐扩展,卸载时弹性软化等特点,而非线性弹性、弹塑性理论很难描述这一特性。损伤力学理论既考虑混凝土材料在未受力的初始裂缝的存在,也可反映在受力过程中由于损伤积累而产生的裂缝扩展,从而导致的应变软化。因而近年来不少学者致力于将损伤力学用于混凝土材料,并建立相应的本构关系。20世纪80年代后期,许多学者采用损伤塑性模型对混凝土的力学性能进行描述和模拟。到目前为止,用损伤塑性模型进行的研究多为对单轴荷载作用下混凝土破坏过程的数值模拟,而多维应力作用下的混凝土破坏机制比较复杂,因此对多维应力作用下混凝土试件的破坏过程的数值模拟至今还不完善,模拟结果相差较大。目前,ANSYS、ADINA、MARC和ABAQUS等著名的有限元分析软件都有混凝土模型,但是对它们分析混凝土结构的能力却了解不够。 1 非弹性连续介质损伤模型 ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性模型是使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为。这是一个基于塑性的连续介质损伤模型。该模型可用于单向加载、循环加载及动态加载等情况,具有较好的收敛性。 1.1 应变弹性模型 总的应变率分为弹性应变率和塑性应变率,表达式为 ˙ε=˙εel+˙εpl?(1) 其中:˙ε是总应变率;˙εel是弹性应变率;˙εpl是塑性应变率。 1.2 材料的初始弹性刚度 应力—应变的关系式为 σ=(1-d)Del0∶(ε-εpl)=Del∶(ε-εpl)?(2) 其中:Del0是材料的初始(未损伤)弹性刚度;Del为损伤后的弹性刚度;d为刚度损伤变量,0≤d≤1,材料未损坏时,d=0,材料完全损坏时,d=1。 1.3 材料常数和有效应力 该模型用有效应力表示的屈服函数的形式为 F(ˉσ,?εpl)=1α(ˉq-3αˉp+β(?εpl)?^-σmax?-γ?-～-σmax?)-ˉσc(ˉεplc)≤0?(3) 其中:α和γ是与尺寸无关的材料常数;ˉp=-13ˉσ∶Ι是有效静压力,I为应力不变量;ˉq=√32ˉS∶ˉS是Mises等效有效应力;ˉS=ˉpΙ+ˉσ是有效应力张量ˉσ的偏分量;^-σmax是ˉσ的最大特征值;函数β(?εpl)的表达式为 β(?εpl)=ˉσc(?εplc)ˉσt(?εplt)(1-α)-(1+α)。 1.4 t0体q面中单位面积膨胀角t0 塑性损伤模型采用非相关联塑性流动法则: ˙εpl=˙λ?G(ˉσ)?ˉσ?(4) 流动能G为Drucker-Prager双曲线函数: G=√(εσt0tanψ)2+ˉq2-ˉptanψ?(5) 其中:ψ为高侧限压力条件下p~q面中测得的膨胀角;σt0为失效时的单轴拉应力;?ε为偏心率,表示该函数接近渐近线的速率(当?ε=0时,G趋向于一条直线)。流动能是连续光滑的,所以流动的方向是唯一的。该函数在高侧限压力条件下,渐近地接近线性Drucker-Prager流动能并在90° 时与静压力轴相交。因为塑性流动是非相关联的,所以用塑性损伤混凝土模型需要求解非对称方程。 2 kuphen试验 20世纪50年代开始,许多学者对多维应力状态下的混凝土力学性能进行试验研究,其中最为经典的是1969年的Kupfer试验。在试验中采用单轴强度分别为19、31.5及59 MPa的3种板式试件,试件尺寸为200 mm×200 mm×50 mm,承受平面加载。Kupfer对各组试件在相同的条件下按照不同的应力比进行加载,直到破坏为止,得到了单、双轴状态下混凝土材料的应力—应变关系和破坏准则。 2.1 数值试验结果 为了精确模拟Kupfer试验,混凝土试件的有限元模型尺寸为200 mm×200 mm×50 mm,采用三维8节点缩减积分单元C3D8R对模型进行离散,单元尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,整个试件共离散了2 000个单元