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1、钢管混凝土 ABAQUS 建模过程Part 模块1、钢管1.壳单元概念：壳单元用来模拟那些厚度方向尺寸远小于另外两维尺寸，且垂直于厚度方向的应力可以忽略的的结构。以字母 S 开头。轴对称壳单元以字母 SAX 开头，反对称变形的单元以字母 SAXA 开头。除轴对称壳外，壳单元中的每一个数字表示单元中的节点数，而轴对称壳单元中的第一个数字则表示插值的阶数。如果名字中最后一个字符是 5，那么这种单元只要有可能就会只用到三个转动自由度中的两个。2.壳单元库一般三维壳单元有三种不同的单元列示：一般壳单元：有限的膜应变和任意大的转动，允许壳的厚度随单元的变形而改变，其他壳单元仅假设单元节点只能发生有限的转
2、动。薄壳单元：考虑了任意大的转动，但是仅考虑了小应变。厚壳单元：考虑了任意大的转动，但是仅考虑了小应变。壳单元库中有线性和二次插值的三角形、四边形壳单元，以及线性和二次的轴对称壳单元。所有的四边形壳单元（除了 S4）和三角形壳单元 S3/S3R 采用减缩积分。而 S4 和其他三角形壳单元采用完全积分。3.自由度以 5 结尾的三维壳单元，每一节点只有 5 个自由度：3 个平动自由度和面内的 2 个转动自由度（没有绕壳面法线的转动自由度）。然而，如果需要的话，节点处的所有 6 个自由度都是可以激活的。其他三维壳单元在每一节点处有 6 个自由度（三个平动自由度和 3 个转动自由度）。轴对称壳单元的每
3、一节点有 3 个自由度：1 r-方向的平动2 z-方向的平动3 r-z 平面内的平动4.单元性质所有壳单元都有壳的截面属性，它规定了壳单元的材料性质和厚度。壳的横截面刚度可在分析中计算，也可在分析开始时计算。在分析中计算：用数值方法来计算壳厚度方向上所选点的力学性质。用户可在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。在分析开始时计算：根据截面工程参量构造壳体横截面性质，不必积分单元横截面上任何参量。计算量小。当壳体响应是线弹性时，建议采用这个方法。5.壳单元的应用如果一个薄壁构件的厚度远小于其整体结构尺寸，并且可以忽略厚度方向的应力，建议用壳单元来模拟。当厚度和跨度之比小于 1/15，可以忽略横向剪切
4、变形，则可以认为是薄壳问题；当厚度和跨度之比大于 1/15，很小的剪切变形也不能忽略时，则认为是厚壳问题。要求：大应变。仅在几何非线性分析中考虑壳单元厚度的改变，壳单元厚度方向上的应力为 0，应变只考虑来自泊松比的影响。2、混凝土3、端板解析刚体：计算成本上解析刚体要小于离散刚体，但是解析刚体不能是任意的几何形状， 而必须具有光滑的外轮廓线。 一般而言，如果可以使用解析刚体的话，使用解析刚体进行模拟是更为合适的离散刚体：离散刚体在几何上可以是任意的三维、二维或轴对称模型，同一般变形体是相同的，唯一不同的是，在划分网格时离散刚体不能使用实体单元，必须在 Part 模块下将实体表面转换为壳面，然后
5、使用刚体单元划分网格。使用刚体部件是不需要赋予部件材料属性的，但是在不完全约束刚体自由度的情况下必须指定刚体集中质量和转动惯量。欧拉：？属性模块当定义材料属性的时候，在考虑大应变的时候，应力指的是柯西应力（即在现时构型上所定义的应力），应变指的是自然应变，即当材料数据是唯一一个变量的函数时，材料数据必须根据这个独立变量的增长而给出。ABAQUS 会根据已经给出的数据进行线性插值。在给定的独立变量范围之外，ABAQUS 假定材料数据为常数。（除了织物材料，其为线性外推）因此，在输入数据的时候，我们需要格外注意。当材料属性是多个变量的函数时，如图所示：材料有很多方面的性质，但是在一个分析中，我们不
6、需要定义所有的性质，我们只需要定义与当前分析有关的材料性质即可。不过如果定义了一些跟当前分析无关的材料性质，那也是没有关系的，ABAQUS 会自动忽略。混凝土损伤塑性模型是不能有任何以分布定义的材料行为。如果使用了分布质量，那么将不能使用温度或者其他场变量相关的密度。密度行为用于指定所有单元的质量密度，除了刚性单元。对于有限应变计算，如果纯粹的弹性应变很大（超过 5%），那么我们应该用织物模型、超弹性模型或者泡沫超弹性模型。线性弹性或者多空弹性适用于大应变是非弹性的情形。线弹性、多孔弹性和亚弹性在应力水平达到弹性模量的 50%或者更高的水平时，会表现出很差的收敛性。线弹性：在小应变情况下有效（
7、应变小于 5%）；可以是各向同性、各向异性；可以与温度以及其他场变量有关；对于连续实体单元可以定义分布。在有限应变问题中：应力为柯西应力，应变为自然应变，弹性模量为四阶张量。在大应变问题中，当弹性应变很大时，不要使用线弹性材料定义，而应该使用超弹性材料模型（像橡胶一样的材料）。最简单的线弹性应力应变关系式如下所示：G=E/2(1+v)；E 和 v 可以是温度或者其他场变量的函数。各向同性弹性材料可以通过分布有空间各样的弹性行为，当使用了分布就不能再使用温度和其他场变量相关的弹性常数。稳定准则要求 E0，G0，-10.495 时，对于线弹性材料，为了避免可能的收敛问题，建议使用连续实体杂交元。否
8、则会出现错误，措施如下：经典金属塑性理论：必须与线弹性材料模型或者状态方程一起应用。一、屈服准则：米塞斯和希尔屈服面假设金属的屈服与等效压应力无关：这个假设已经被大多数金属受压试验所证实（除了废弃金属），但是对于承受很高的三轴张力的金属或者材料有空洞的情况下，这个假设就可能不太精确了。因为这种情况会导致裂纹附近的应力场的出现，并且在一些极端热负荷下，比如说焊接过程，这个时候应该使用多孔金属塑性模型。1.米塞斯屈服面米塞斯屈服面用于各向同性材料，它的定义通过给定单轴屈服应力作为单轴塑性应变、温度或者其他场变量的函数。2.希尔屈服面用于各向异性屈服模型。硬化准则在 ABAQUS 里面，我们可以定义
9、理想塑性材料，也可以定义强化准则。各向同性强化，包括 Johnson-Cook 强化准则是可以应用的。此外，ABAQUS 还为受循环荷载的材料提供了随动强化准则。1.理想塑性理想塑性意味着屈服应力不会随着塑性应变而增加。它可以表格形式定义为温度或者场变量的函数。2.各向同性强化准则（等向强化）各向同性强化意味着屈服面会随着塑性应变的发生而在各个方向均匀的改变大小，由此屈服应力会相应的增加或者减少。ABAQUS 提供了一个非常有用的各向同性强化模型，该模型涉及到总的塑性应变，或者在整个分析过程中，每个点的应变在应变空间几乎是同一个方向。尽管该模型被称为强化模型，但是应变软化或者强化之后的软化都可
10、以用该模型来定义。关于各向同性强化准则更多的细节请参考 ABAQUS theory guide 4.3.2 章节。如果各向同性强化要被定义，屈服应力可以以塑性应变表格函数的形式给出，如果有必要的话，还可以以温度或者其他预先定义的场变量的表格函数给出。其他未给出的数据从已给出的数据以简单插值得到，并且超出最后一个给定的塑性应变的区域，屈服应力保留常数。3.Johnson-cook 各向同性强化Johnson-cook 各向同性强化准则是一种特殊的各向同性强化准则，在该准则里面，屈服应力是等效塑性应变、应变速率和温度的解析函数。这个强化准则适用于模拟大多数材料的高速率变形。希尔的势函数不能与该准则
11、同时使用。更多细节请参考 23.2.7 章节。4.用户子程序在 standard 里面，屈服应力也可以通过用户子程序 UHARD 来描述。5.随动强化ABAQUS 提供了两个随动强化模型用于模拟金属的循环荷载模型。线性随动强化模型：以恒定的硬化速率来模拟硬化行为非线性随动强化模型：可以提供更好的预测但是需要更细的刻度更多细节请参见 “Models for metals subjected to cyclic loading,”23.2.2 章节。2、流动法则ABAQUS 使用的是关联的流动法则。因此，当材料屈服时，非弹性变形速率与屈服面正交（塑性形变体积不变）。这个假设对于大多数金属都是适用的
12、；在大多数情况下，该流动法则对于金属板材塑性流动局部化的详细研究还是不适当的，当板材产生纹理并最终撕裂时。只要我们对这种效应的细节不感兴趣，在 ABAQUS 中使用光滑米塞斯或者希尔相关联的流动法则一般是可以准确预测试验结果的。3、速率的相关性当应变速率增长时，许多材料的屈服强度也会随之增长。这种效应在许多金属的应变速率达到 0.1-1 每秒时很重要；在应变速率达到 10-100 每秒时非常重要，这是高能动态事件或者制造过程的特点。有多种方式可以引进应变速率相关的屈服应力。1.直接表格法2.屈服应力比率法代表静态屈服应力，代表等效塑性应变，代表等效应变速率，R 是一个比0pl pl 率，当等效
13、应变速率为零时，R=1.0。3.用户子程序4、初始条件当我们需要研究一个已经经受硬化的材料行为时，我们需要根据硬化状态提供最初始的塑性应变值。对于更加复杂的情形，可以通过用户子程序来定义5、单元经典金属塑性理论可以用于任何包含力学行为的单元。6、输出23.6.3 混凝土损伤塑性模型1、参考材料二、综述ABAQUS 中混凝土损伤塑性模型：1.提供了一个模拟任何结构中（梁、桁架、壳、实体）的混凝土和其他准脆性材料的通用方法。2.利用各向同性弹性损伤和各向同性抗拉和抗压塑性的概念来模拟混凝土的非弹性行为。3.可以用于素混凝土，尽管主要是用于钢筋混凝土结构。4.可以与钢筋一起应用用于模拟钢筋混凝土。5
14、.可以应用于混凝土在低围压下受单调、循环和/或者动力荷载。6.包含非关联的多向硬化塑性和标量各向同性损伤，可以用于描述在破坏过程中不可逆转的损伤。7.在循环往复荷载中，允许用户控制刚度恢复。8.可以定义与应变速率有关。9.可以与粘塑性正规化的本构方程一起应用，并且可以改善软化段的收敛速率。10.要求材料的弹性行为是各向同性并且线性的。11.细节定义请参看“Damaged plasticity model for concrete and other quasi-brittle materials,”Section 4.5.2 of the Abaqus Theory Guide。3、力学行为该
15、模型是连续的、基于塑性的混凝土损伤模型。它假设两个主要的失效机制是混凝土的受拉开裂以及受压压溃。屈服面的演变主要由两个硬化变量来控制，即受拉等效塑性应变和受压等效塑性应变，与受压受拉的失效机制有关。以下章节将讨论混凝土力学行为的主要假设。1.单轴拉伸和压缩力学行为该模型假设混凝土的单轴拉伸和压缩响应以塑性损伤为特征。如图所示：单轴受拉情况下，应以应变曲线在失效应力以前，遵循线弹性关系。失效应力对应混凝土材料微裂缝的出现。超过失效应力以后，微裂缝的发展在宏观上表现为应力应变曲线的软化段，该效应将会引起混凝土结构的应变局部化。单轴受压情况下，在初始屈服点之前，应力应变曲线是线性的。在塑性区段，该0
16、c响应表现为应力强化，在超过极限应力之后，表现为应变软化。该表达在某种程度上cu有点简单，但是捕获了混凝土响应的主要特征。假设单轴应力应变曲线可以转化成应力-塑性应变曲线。（ABAQUS 会将用户提供的应力-非弹性应变数据自动转化成这种形式）因此：这里的下标 t 和 c 分别代表受拉和受压；括号里第一个变量代表等效塑性应变，第二个变量代表等效应变速率，代表温度，fi 代表其他预先定义的场变量。从上图中，我们可以看出，当混凝土试件从应变软化段的任何一点卸载的时候，卸载响应都会变弱，即材料的弹性刚度表现为受损。弹性刚度的受损通过两个变量来表示，dt和 dc,并且这两个变量假设为塑性应变、温度和场变量的函数：损伤变量可以从 0 取值到 1,0 代表未损伤，1 代表完全损伤。如果代表材料的初始弹性刚度，那么单轴受拉和受压下的应力应变关系为：0E我们定有有效的受拉和受压应力为：有效应力决定了屈服面的大小。2.单轴循环行为在单轴循环荷载情况下，刚度退化机理非常复杂，其中包含开裂和微裂缝的闭合，还有他们之间的相互作用。试验观测得知：随着荷载方向的改变，会有一些弹性刚度
