淺談ANSYS在鋼筋混凝土構件受力全過程分析中的應用

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【摘   要】文章著重討論了ANSYS在鋼筋混凝土構件全過程分析中鋼筋混凝土材料的單元選擇、材料特性、破壞準則等方面。說明只要合理選擇單元類型、劃分網(wǎng)格等，就能夠得出比較準確的非線性特性曲線，從而達到減少設計成本、縮短設計和分析的循環(huán)周期、增加產(chǎn)品和工程的可靠性的目的。

　　【關鍵詞】ANSYS；鋼筋混凝土；單元類型；材料特性；破壞準則       一、前言 　　鋼筋混凝土結構是目前工業(yè)與民用建筑中最主要的結構形式。由于鋼筋混凝土是由兩種性質不同的材料———混凝土和鋼筋組合而成，它的性能明顯地依賴于這兩種材料的性能，特別是非線性階段，對鋼筋混凝土結構進行非線性分析就顯得特別重要了。有限元方法作為一個強有力的數(shù)值分析工具，在鋼筋混凝土結構的非線性分析中起著非常重要的作用。在鋼筋混凝土結構有限元分析領域，對于混凝土結構分析應當考慮的因素包括混凝土的應力-應變特性曲線（非線性彈性，彈塑性等）的模型，混凝土的破壞面模型，裂縫的模擬，鋼筋的模擬，鋼筋的應力應變模型（如：雙線性彈性硬化塑性）及包括混凝土鋼筋接觸面的粘結滑移、拉伸硬化模型和裂縫接觸面模型。要模擬鋼筋混凝土結構的受力機理及破壞過程，關鍵要合理地選擇單元類型和混凝土的破壞準則。本文主要是從這個角度，介紹單元選取、定義材料特性的方法。 　　二、用ANSYS 進行有限元計算 　　有限元法是目前工程技術領域中實用性最強、應用最為廣泛的數(shù)值計算方法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列單元，單元之間靠節(jié)點連接。單元內部點的待求物理量可由單元節(jié)點物理量通過選定的函數(shù)關系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或能量關系建立節(jié)點量之間的方程式，然后由單元方程再形成總體代數(shù)方程組，加入邊界條件后即可對方程組求解。 　　ANSYS 軟件是集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛地應用于土木工程、交通、水利、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、國防軍工、電子、造船、生物醫(yī)學、地礦、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。AN?鄄SYS 有限元分析軟件具有以下優(yōu)點：減少設計成本、縮短設計和分析的循環(huán)周期、增加產(chǎn)品和工程的可靠性。采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗和成本，在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，可以進行模擬實驗分析，進行機械事故分析，查找事故原因。     　?。ㄒ唬┻x取單元類型 　　ANSYS軟件本身帶有大量的單元類型，如BEAM、LINK、SOLID、PIPE、PLANE、SHELL、COMBIN、MASS等結構方面的單元類型。三維8結點實體等參單元，SOLID65單元（如圖1所示）通常用來模擬鋼筋混凝土材料，實體單元每個節(jié)點都有3個自由度，該單元可以產(chǎn)生塑性變形，在三個方向上開裂及可以被壓碎。 內部的鋼筋的模擬有兩種方法，一種是作為附加彌散鋼筋分布在一個指定方向，即整體式。鋼筋作為附加彌散鋼筋加入到SOLID65單元中，是通過輸入實常數(shù)，給定SOLID 65 單元在三維空間各個方向的鋼筋材料編號、位置、角度和配筋率。這種方法主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構件中，譬如剪力墻或樓板結構；另一種把混凝土和鋼筋作為不同單元來處理即分離式，混凝土與構件各自被劃分成足夠小的單元，混凝土采用SOLID65D單元模擬，鋼筋通常用LINK8單元模擬。LINK8單元有兩個節(jié)點，每個節(jié) 點有3個自由度，見圖2。利用空間桿單元LINK8建立鋼筋模型和混凝土單元共用節(jié)點。這種方法建模比較方便，可以任意布置鋼筋并可直觀獲得鋼筋的內力。但是建模需要考慮共用節(jié)點的位置，且容易出現(xiàn)應力集中拉壞混凝土的問題。