ABAQUS在土木工程的應(yīng)用[共55頁(yè)]

1、混凝土鋼筋混凝土,ABAQUS China,Overview of ABAQUS Version 6.3,內(nèi)容提綱,介紹 無(wú)鋼筋混凝土力學(xué)行為 ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型 加強(qiáng)筋(鋼)ABAQUS中的應(yīng)用 應(yīng)用實(shí)例,介紹,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,Motivation:構(gòu)造兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的混凝土模型，預(yù)測(cè)混凝土和鋼筋混凝土的力學(xué)行為1： 低壓混凝土 (靜水壓力小于三倍單軸單軸壓縮失效應(yīng)力)，占主導(dǎo)地位的是混凝土開(kāi)裂（cracking）的行為 大荷載 (塑性階段) ，次生裂縫行為明顯 單調(diào)荷載（可以包括小的反向加載，但是不能模擬循環(huán)加載）,Over

2、view of ABAQUS Version 6.3,介紹,2：Modeling the behavior of unreinforced and reinforced concrete structures 高壓 (equivalent pressure stress many times larger than uniaxial compression failure stress) 混凝土的壓碎(crushing)是主導(dǎo)行為 大荷載 (非彈性) 單調(diào)荷載、循環(huán)荷載都可以,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,典型應(yīng)用 低壓應(yīng)用: 典型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 如帶加鋼筋

3、混凝土梁、 板、柱、剪力墻 核反應(yīng)堆容器高壓密封加壓失效模擬 炮彈對(duì)混凝土容器的沖擊模擬 冰對(duì)海岸建筑的沖擊模擬,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,高壓應(yīng)用: 地下導(dǎo)彈發(fā)射井震動(dòng)響應(yīng) 模擬水庫(kù)的混凝土大壩,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,混凝土容器構(gòu)造,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,鋼筋混凝土 建模：混凝土模型鋼筋模型混凝土和鋼筋的相互作用 ABAQUS中分別定義混凝土本構(gòu)和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。 Concrete和rebar 的相互作用，粘結(jié)滑動(dòng)(bond slip) and 暗銷(xiāo)作用(do

4、wel action)都可以通過(guò)引入拉伸硬化(tension stiffening)模擬,Overview of ABAQUS Version 6.3,介紹,加強(qiáng)筋（REBAR）選項(xiàng)提供非常全面的幾何設(shè)計(jì)： Rebar可以是單獨(dú)的筋，也可以是夾層，加強(qiáng)筋和夾層的方向是任意的 可以加載初始應(yīng)力，初始應(yīng)力可以為“pre-tensioned” (灌漿前后都可以) 也可以為“post-tensioned” (通常無(wú)灌漿).,無(wú)鋼筋混凝土的力學(xué)行為,Overview of ABAQUS Version 6.3,無(wú)鋼筋混凝土的力學(xué)行為,混凝土在高壓下（三軸）表現(xiàn)出準(zhǔn)脆性的行為 不同于普通的脆性材料, 混凝

5、土可以有非彈性變形，非彈性變形可以比彈性變形大很多 混凝土損傷機(jī)制: 混凝土內(nèi)部微裂紋和微孔洞的產(chǎn)生和發(fā)展 在高壓（靜水壓力）下材料的固化和多微孔的結(jié)構(gòu)的坍塌,Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,單軸實(shí)驗(yàn) 超過(guò)某應(yīng)力水平, concrete 表現(xiàn)非線(xiàn)性行為, 表現(xiàn)出 累積不可恢復(fù)的損傷 直到發(fā)生破壞 微裂紋導(dǎo)致應(yīng)變軟化,單軸拉伸 Mazars and Pijaudier-Cabot (1989),單軸壓縮 Karsan and Jirsa (1969),Overview of ABAQUS V

6、ersion 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,體積膨脹: Volume increase that results from the formation and growth of cracks parallel to the direction of the greatest compressive stress.,Typical plot of compressive stress vs. axial, lateral, and volumetric strain,Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechan

7、ical Behavior of Plain Concrete,雙軸加載：混凝土失效應(yīng)力大于單軸狀態(tài)時(shí)的失效強(qiáng)度 Under biaxial compressive loading, concrete strength is greater than the one observed in uniaxial tests.,Compressive stress vs. strain components and volumetric strain under biaxial-compressive loading Kupfer et al. (1969),Overview of ABAQUS V

8、ersion 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,混凝土雙軸強(qiáng)度包絡(luò)圖,Failure modes of biaxially loaded concrete,Biaxial strength envelope of concrete Kupfer et al. (1969),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,三軸加載： 高壓混凝土裂紋擴(kuò)展被阻止。脆性的特性被柔性硬化的特性代替。Under high confining pressure, cra

9、ck propagation is prevented. The brittle behavior disappears and is replaced by ductility with work hardening.,Triaxial concrete behavior Chen (1982),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,循環(huán)加載力學(xué)行為 塑性和剛度的退化 反向加載剛度恢復(fù) (單向),Stress-deformation curve under cyclic loading (sm

10、all compressive stress) Reinhardt and Cornelissen (1984),Stress-deformation curve under cyclic loading (large compressive stress) Reinhardt and Cornelissen (1984),ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型,Overview of ABAQUS Version 6.3,ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型,ABAQUS 用連續(xù)介質(zhì)的方法建立描述混凝土模型不采用宏觀(guān)離散裂紋的方法描述裂紋的水平的在每一個(gè)積分點(diǎn)上單獨(dú)計(jì)算 低壓力混凝土的本構(gòu)關(guān)系 Smear

11、ed cracking model (ABAQUS/Standard) Brittle cracking model (ABAQUS/Explicit) 混凝土損傷模型 (ABAQUS Version 6.3) 高壓力混凝土的本構(gòu)關(guān)系 Cap model,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model (ABAQUS/Standard),用于描述 單調(diào)應(yīng)變 在材料中表現(xiàn)出拉伸裂紋或者壓縮時(shí)破碎的行為 壓縮塑性應(yīng)變由“塑性壓縮屈服面”控制 裂紋出現(xiàn)在當(dāng)應(yīng)力達(dá)到 裂紋產(chǎn)生面“crack detection surface”時(shí) 裂紋是影響材

12、料行為的最關(guān)鍵因素，它將導(dǎo)致開(kāi)裂以及開(kāi)裂后的材料的各向異性 Keywords:*CONCRETE, *TENSION STIFFENING, *SHEAR RETENTION, and *FAILURE RATIOS 例題,Overview of ABAQUS Version 6.3,Cracking Model (ABAQUS/Explicit),ABAQUS/Explicit中脆性破裂模型 適用于拉伸裂紋控制材料行為的應(yīng)用 壓縮失效不重要 此模型考慮了由于裂紋引起的材料各向異性性質(zhì) 材料壓縮的行為假定為線(xiàn)彈性. 脆性斷裂準(zhǔn)則可以使得材料在拉伸應(yīng)力過(guò)大時(shí)失效 Keywords: *BRITT

13、LE CRACKING, *BRITTLE FAILURE, and *BRITTLE SHEAR,Overview of ABAQUS Version 6.3,Concrete Damaged Plasticity (ABAQUS Version 6.3),適用于混凝土的各種荷載分析 單調(diào)應(yīng)變, 循環(huán)荷載, 動(dòng)力載荷. 標(biāo)量損傷模型 (各向同性) ， 包含拉伸開(kāi)裂(cracking)和壓縮破碎(crushing). 此模型可以模擬硬度退化機(jī)制以及反向加載剛度恢復(fù)的混凝土力學(xué)特性 Keywords: *CONCRETE DAMAGED PLASTICITY*CONCRETE TENSION S

14、TIFFENING*CONCRETE COMPRESSION HARDENING*CONCRETE TENSION DAMAGE*CONCRETE COMPRESSION DAMAGE,Overview of ABAQUS Version 6.3,Cap Model,此模型最初于黏土材料 在Drucker-Prager剪切失效模型加了一個(gè)“cap” Cap的作用 約束模型的靜水壓力 當(dāng)材料剪切屈服時(shí)幫助控制體積膨脹 這些特性使得“cap”模型適用于受到高壓的混凝土 靜水壓力別單軸壓縮強(qiáng)度大很多 這不包括任何表示拉伸裂紋（cracking）和壓縮破碎(Crushing)的行為 因此只適用于收到高

15、壓的混凝土. Keywords: *CAP PLASTICITY and *CAP HARDENING,加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)用,Overview of ABAQUS Version 6.3,加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)用,define rebar in beam elements: Isoparametric rebar in three-dimensional membrane/shell elements: Skew Rebar in three-dimensional shell/ membrane elements: Define rebar in axisymmetr

16、ic shell/ membrane elements: Define a layer of uniformly spaced rebar in continuum elements (skew/ ISOPARAMETRIC),Overview of ABAQUS Version 6.3,Reinforcement,We summarize here some of the new functionality in ABAQUS Version 6.3 for modeling reinforcement of structural and continuum elements. A numb

17、er of improvements have been made to simplify rebar definition and provide rebar visualization in ABAQUS/CAE. A new *REBAR LAYER option is introduced to define one or multiple layers of reinforcement in membrane, shell, or surface elements. This option must be used in conjunction with the *MEMBRANE

18、SECTION, the *SHELL SECTION, or the *SURFACE SECTION option.,Overview of ABAQUS Version 6.3,Reinforcement,使用 *REBAR LAYER 選項(xiàng) 簡(jiǎn)化了rebar在 (continuum) elements中的定義. 使用 *EMBEDDED ELEMENT 選項(xiàng)在主體continuum elements中埋入一組membrane 或者surface 單元作為夾層 Usage:*EMBEDDED ELEMENT, HOST ELSET=solid_set_name memb_set_name

19、 or surf_set_name,embedded surface elements with rebar,host continuum elements,Overview of ABAQUS Version 6.3,Reinforcement,Membrane 單元不必與實(shí)體單元網(wǎng)格劃分一致 Membrane 單元的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)約束到主體的實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)上 Surface elements 可以嵌入 溫度位移 耦合的實(shí)體單元中。但是不能模擬出隔熱/傳熱的行為 Surface elements 不可以嵌入熱傳導(dǎo)和質(zhì)量擴(kuò)散實(shí)體單元中,應(yīng)用實(shí)例,Overview of ABAQUS Version

20、6.3,應(yīng)用實(shí)例,ABAQUS/CAE 演示,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model,Jain and Kennedy Slab 二維平面應(yīng)變模型 本構(gòu)關(guān)系： Smeared Cracking Model,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model,考慮拉伸硬化效應(yīng),Overview of ABAQUS Version 6.3,*REBAR 的參數(shù),1. 有加強(qiáng)筋的單元 forrb 2. 加強(qiáng)筋的截面積 0.19332 3. 加強(qiáng)筋的間距 18 4. 加強(qiáng)筋的方向

21、 0 5. 加強(qiáng)筋在單元中的位置 .626667 6. 單元的哪條邊上 3,Overview of ABAQUS Version 6.3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較,算例：分析地震載荷下的重力壩,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,給出一個(gè)使ABAQUS分析在任意荷載下混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 地震荷載分析：印度一個(gè)水壩，6.5級(jí)地震。Seismic analysis of Koyna dam (India), subjected to the December 11, 1

22、967, earthquake of magnitude 6.5 on the Richter scale. 計(jì)算說(shuō)明: 忽略壩基作用，剛性基礎(chǔ)。 水動(dòng)力效應(yīng)使用 Westergaard 附加質(zhì)量技術(shù), 通過(guò)兩節(jié)點(diǎn)用戶(hù)單元實(shí)現(xiàn)。 材料阻尼為壩體一階振動(dòng)臨界阻尼的3% 拉伸失效數(shù)據(jù)通過(guò)斷裂能給出,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,有限元網(wǎng)格: 760 CPS4R 4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力單元，36個(gè)用戶(hù)單元,Geometry of a typical nonoverflow

23、monolith,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Material properties for Koyna dam concrete,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Concrete tensile properties: tension stiffening and tension damage,Overview of ABA

24、QUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Transverse and vertical components of the ground accelerations (units of g =9.81 m sec-2),Transverse ground acceleration,Vertical ground acceleration,The dam undergoes severe damage but retains its overall structural stability.,Stru

25、ctural damage due to tensile cracking failure (t=10 sec),Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,The tensile damage variable（拉伸損傷變量）, DAMAGET, is a nondecreasing quantity associated with tensile (cracking) failure of the material. The stiffness degradation

26、variable（剛度梯度變量）, SDEG, can increase or decrease, reflecting the stiffness recovery effects associated with the opening/closing of cracks.,水平位移峰值Horizontal crest displacement (relative to ground displacement),Contour plot of DAMAGET (left) and SDEG (right) at time t = 4.456 sec, corresponding to the

27、 largest excursion of the crest in the down-stream direction.,t = 4.456 sec,Rock used in concrete, jointed material) Plasticity models: Open surface, pressure independent (Mises) Open surface, pressure dependent (Drucker-Prager, Mohr-Coulomb) Closed surface (Cam-clay, Drucker-Prager with Cap) Multis

28、urface (jointed material),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mohr-Coulomb Model,Mohr-Coulomb Model Mohr-Coulomb 塑性模型是一種構(gòu)造粒狀材料 比如土壤，一般只考慮單調(diào)荷載，并且是“率無(wú)關(guān)”材料 在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模型有一下特征: 小載荷情況下存在一個(gè)線(xiàn)彈性的階段，隨載荷的變大，材料的變形中包括不可恢復(fù)成分。認(rèn)為材料進(jìn)入塑性階段。 材料初始各向同性 屈服行為與靜水壓力有關(guān)，材料隨著約束力的變大而變得更強(qiáng) 屈服行為受中間主應(yīng)力的最大值的影響,Overview of ABA

29、QUS Version 6.3,Mohr-Coulomb Model,包括各向同性的硬化的軟化 隨體積變化材料表現(xiàn)出非彈性行為，在非彈性膨脹和非彈性剪切變形中中引入流動(dòng)法則 可以考慮溫度的影響 假設(shè)材料“率無(wú)關(guān)”,Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Drucker-Prager Models,修正的 Drucker-Prager 模型 這種模型用于模擬單調(diào)荷載下材料的響應(yīng)，比如分析地基下土壤的極限荷載，這是最簡(jiǎn)單的一種模擬摩擦材料的本構(gòu)模型。 此模型基本特性如下： 存在完全彈性響應(yīng)部分，材料的變形中包括一部分不可恢復(fù)成分。認(rèn)為材料進(jìn)入塑性階段。 材料

30、初始各向同性 屈服行為與靜水壓力有關(guān)，材料隨著約束力的變大而變得更強(qiáng)。 材料會(huì)有各向同性的硬化或者軟化。,Overview of ABAQUS Version 6.3,非彈性行為通常伴隨著體積改變：在非彈性膨脹和非彈性剪切變形中引入流動(dòng)法則。ABAQUS中提供兩種流動(dòng)法則。 屈服行為會(huì)受中間主應(yīng)力的影響 材料可以是“率相關(guān)”材料 可以引入溫度效應(yīng),Modified Drucker-Prager Models,Overview of ABAQUS Version 6.3,Coupled Creep and Drucker-Prager Plasticity,Coupled Creep and D

31、rucker-Prager Plasticity 地質(zhì)材料在一定條件下在一定的條件下會(huì)有蠕變。 當(dāng)加載時(shí)間與材料蠕變的時(shí)間特征時(shí)間相當(dāng)，材料塑性和蠕變的方程需要一起考慮。 ABAQUS提供可以用于增強(qiáng)Drucker-Prager 的蠕變模型。,Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Cam-Clay Model,修正 Cam-Clay 模型 這個(gè)模型用于描述無(wú)粘性材料的本構(gòu)模型。 這是經(jīng)典劍橋黏土模型的擴(kuò)展。 基本特征： 非線(xiàn)性彈性響應(yīng)，接下來(lái)材料進(jìn)入塑性階段 初始各向同性 屈服行為與靜水壓力有關(guān)，臨界狀態(tài)分為兩個(gè)區(qū)域： 在“干”面上材料軟化， 在“濕”面上材料硬化。硬化和軟化行為濕體積塑性應(yīng)變的函數(shù),Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Cam-Clay Model,非彈性行為通常伴