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混凝土棱柱体试件受压破坏LS-DYNA模拟案例

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混凝土受压试验是确定混凝土强度等级的基本方法,一般确定混凝土强度等级是采用立方体试件。但实际工程中,混凝土构件大部分是棱柱体或圆柱体型。为了使试验测试的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况,在钢筋混凝土结构计算中,都是采用的混凝土的轴心抗压强度作为设计依据。

本文介绍通过有限元的方式模拟棱柱体混凝土试件的受压过程及破坏形态。需要强调的是,通过有限元模拟这个过程涉及许多参数,想要通过有限元方式模拟出与现实情况一致的结果需要做许多参数的标定,还需选择合适的本构模型。本文仅介绍LSDYNA中的操作过程,相关参数不具有工程意义。

—01—

模型建立及网格划分


spaceclaim是ANSYS workbench中的主推建模软件,本文采用该软件建立了图1所示的模型。模型上下为钢板,中间为50mm×50mm×100mm的混凝土试件。具体建模过程不赘述。
图1  模型建立

模型的网格划分我们采用hypermesh进行,因此首先导出软件可识别的模型格式,可采用.sat格式,如下图,该格式包含了各part体文件信息,导入hypermesh后可直接生成实体模型。
图2 导出模型

打开hypermesh后,先做如下配置,如下图:
图3 软件配置

接着导入模型,如下图:
图4 hypermesh中导入模型

可以看到,导入的模型下有一个parts和3个组件。
图5 导入模型概况

本例中网格划分较为简单,只需选择相应的体,确定单元类型和尺寸便可划分出规则的网格,如下所示:
图6 网格划分结果

网格划分完成后,便可导出网格模型,由于后续需在LSDYNA中完成,因此我们设置导出路径后,导出为k文件,如下所示:
图7 导出网格模型文件

LSDYNA中建模能力比较弱,因此笔者习惯在其他软件中进行建模和网格划分。除上述方法外,我们也可在其他建模和网格划分软件中操作,只要最终的网格模型能够顺利导入LSDYNA,不出现错误即可。


—02—

确定统一的量纲


LSDYNA与abaqus一样,软件中没有单位系统,因此我们需要自己根据数据拟定单位制,即确保一致性的量纲系统,以确保分析的正确性

因此,我们在打开k文件后,首先看一下模型尺寸,如下图,建模时下图钢板尺寸我们是按照60mm建立的,因此可以确定长度尺寸的单位采用应采用mm制。
图8 确定长度尺寸单位

通常比较常用的单位制如下图,结合上面确定的长度单位,笔者习惯采用如下标记的单位制,即本例拟采用mm,ms,g,N单位制。
图9 统一的量纲系统(单位制)


—03—

keyword选项及设置


第一步:施加约束边界条件:
本例中需要固定模型中底部钢板,同时将上部钢板约束为只有沿着混凝土试件长度方向的位移(整体坐标轴Y方向)。本例采用刚体约束形式,关键字卡片设置如下:
图10 *MAT_RIGID施加刚体约束

第二步:计算的控制选项设置:
计算需要考虑计算的时间、计算稳定性,如显示计算时间步长、接触刚度、沙漏控制等,计算控制的一些关键字卡片的参数如下(许多参数为默认值):
图11 *CONTROL_TERMINATION设置计算时间
图12 *CONTROL_TIMESTEP时间步控制
图13 *CONTROL_BULK_VISCOSITY体积粘度控制
图14 *CONTROL_CONTACT接触控制
图15 *CONTROL_ENERGY沙漏能控制
图16 *CONTROL_HOURGLASS沙漏控制

本例中,计算时间设置为30ms,其余均采用默认设置。

第三步:接触设置:
接触主要是两块钢板与混凝土试件的接触,设置接触静摩擦系数为0.2,动摩擦系数0.16。如下图所示:
图17 自动面面接触设置

第四步:输出控制:
通过*DATABASE_OPTION关键字卡片设置接触反力RCFORCE,如下图,每隔0.01ms输出一次,总共就是30ms/0.01ms=3000个输出点。
图18 接触反力输出设置

通过*DATABASE_BINARY_D3PLOT控制动画输出,如下图,30ms总共输出200等份。
图19 动画输出

与此同时,我们需要输出历史变量,并记录有关数据,输出数据默认保存在3DPLOT文件中,如下图所示。
图20 输出历史变量和3dplot文件

第五步:施加速度加载控制:
通过*DEFINE_CURVE定义一个加载速度曲线,本例加载速度设置为0.025mm/ms,即0.025m/s。
图21 定义加载曲线

加载曲线定义完成后,可以将速度加载施加到顶部钢板。如下所示。
图22 施加加载速度

第六步:混凝土材料定义  
混凝土我们采用*MAT_CSCM_CONCRETE本构模型,即第159号材料。设置混凝土强度为40MPa,骨料粒径设置为最小边1/4左右,即12mm,如下图所示。
 
图23 混凝土材料定义

第七步:将材料分配到part
分配材料前,先定义实体单元,并采用1号算法。如下图。接着将材料分配至于part.
图24 定语实体单元
图25 分配part及材料

 
第八步:添加失效准则  
通过以上设置,就可以计算了。但由于我们想要看到试件的破坏情况,就需要添加失效准则。本例采用*MAT_ADD_EROSION添加最大主应变失效,如下图所示。设置最大主应变为0.05,但单元最大主应变超过0.05,单元将会被删除,以表现出破坏模式。  
 
图26 失效设置

以上便是所有设置,相关关键字卡片参数的设置内容较多,篇幅有限,不便于一一详细讲解,有兴趣的朋友可以查阅软件手册,或根据以上步骤在软件设置界面上根据提示学习。

将上述设置保存为k文件,丢入求解器就可计算。
图27  求解器界面


—04—

计算结果及分析


计算完成后可以输出应力、塑性应变等,结果如下所示:
 
 
 
图28 应力、塑性应变及试件破坏形态  

 
可以看到,试件失效出现了明显的斜线破坏,这与棱柱体混凝土试件的破坏形态一致,如下图所示。  
   
图29 棱柱体混凝土试件破坏形态    
 

 
此外我们也可以输出,力和位移随时间的变化情况,据此可导出数据,绘制反力-位移曲线。由于从图中,可以看到位移和时间是线性关系,因此反力-位移曲线形状与下图力-时间曲线形状是相似的。
 
 
图29 反力随时间的变化  

 
 
图30 位移随时间的变化  

 
从上面的曲线图可以看到,最大反力为1.01E5N,由于试件截面尺寸为50mm×50mm,因此可计算抗压强度为:101000/50/50=40.4MPa。与设定的抗压强度相差不大。  

 
此外,还可以看到计算约22.5ms左右,试件彻底失效,反力约为零。失效时的最大位移为0.025*22.5=0.5625mm。根据最大位移,可计算最大竖向应变为:位移/构件长度=0.5625/100=0.005625。  

本例中,笔者选择的混凝土本构模型也可替换为其他混凝土本构。不同本构计算得出的结果差异比较大,因此不同场合应选择合适的本构模型。

来源:薛定谔的Cube
SpaceClaimACTLS-DYNAWorkbenchHyperMesh材料控制试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-12-31
最近编辑:7月前
巴郡撸猫人
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源于LS-DYNA软件手册,*MAT_ADD_EROSION相关卡片关键字详细含义解析!

LS-DYNA中,许多本构模型不能设置单元失效和侵蚀。*MAT_ADD_EROSION为这些本构模型提供了一种允许设置单元失效或侵蚀的途径。该卡片也能应用于那些已经包含了失效或侵蚀准则的本构模型。对于未设置损伤模型的情况,在MAT_ADD_EROSION中定义的每个失效准则都是独立应用的。一旦根据NCS关键字满足了一定数量的这些准则,该单元就会被从计算中删除。除了侵蚀外,MAT_ADD_EROSION中还支持广义增量应力状态依赖性损伤模型GISSMO(generalized incremental stress-state dependent damage model)或损伤起始和演化模型DIEM(damage initiation and evolution models)。当变量IDAM(损伤模型标志)被定义时,可以激活相应的损伤模型。*MAT_ADD_EROSION适用于非线性单元,包括2D连续单元、3D实体单元、2D和3D SPH粒子、3D壳单元以及厚壳单元等。本文主要内容源于LSDYNA(R10) 第二卷手册,主要介绍MAT_ADD_EROSION的卡片含义。-01-Card1选项*MAT_ADD_EROSION关键字卡片1如下:MID: 材料ID号,用于定义材料的识别。必须指定一个不超过8个字符的唯一编号或标签。EXCL: 排除号,用于在卡片1、2和7上定义失效值。当这些卡片上任意一个失效值设置文本框内被设置为了排除号,关联的失效准则将不可调用。换句话说,只有失效值设置文本框内设置的不是排除号,该文本框关联的失效准则才可用。EXCL的默认值为0.0,这消除了所有将其常数留空或设置为0.0的失效准则。例如,为了防止材料产生拉伸压力,用户可以为排除编号指定一个异常值,例如1234,将MNPRES(失效时的最小压力)设置为0.0,并将所有剩余的失效准则设置为1234。然而,这里使用排除号可能被认为是不必要的,因为通过将MNPRES设置为非常小的负值,可以在不使用排除号的情况下实现相同的效果。MXPRES:失效时的最大压力Pmax(压缩为正),如果该值恰好为零,则会自动将其排除在外,以保持与旧输入文件的兼容性。用于脆性材料,如混凝土材料压缩失效。MNEPS:失效时的最小主应变εmin,如果该值恰好为零,则会自动将其排除在外,以保持与旧输入文件的兼容性。EFFEPS: 失效时的最大等效应变εeff: εeff=0时,自动将其排除在外,以保持与旧输入文件的兼容性;εeff为负值,⎮EFFEPS⎮为等效塑性应变失效阈值,常用语金属材料。在组合粘聚力(cohesive)单元中,EFFEPS为最大等效平面内应变。VOLEPS:失效时的体积应变εvol: 或: ln(相对体积)VOLEPS可以是正值或负值,对应于失效是拉伸还是压缩。如果该值恰好为零,则会自动将其排除在外,以保持与旧输入文件的兼容性。NUMFIP:单元删除前的失效积分点数。在单元侵蚀前,可以是一个正值。默认值为1,即只有一个积分点失效,这个单元就失效。当IDAM=0时(IDAM为损伤模型标志),仅适用于壳单元,⎮NUMFIP⎮是单元失效前必须超过的失效准则的积分点百分比。如果NUMFIP<-100,⎮NUMFIP⎮减100是触发单元删除的失效积分点数。当IDAM≠0时,仅适用于壳单元⎮NUMFIP⎮是单元失效前必须超过的失效准则的积分层数百分比。例如,对于每层积分点为4个的壳单元,如果该层任意一个积分点失效,该层失效(整个单元未失效,被侵蚀)。NCS: 失效条件数(非损伤模型)或塑性应变检查步长(损伤模型)。当IDAM=0时,代表不使用损伤模型,NCS为失效发生时失效条件的数量。例如,SIGP1(失效时的主应力)和SIGVM(失效时的等效应力)被定义,并且NCS=2,则两者需同时满足,单元才会被删除。当IDAM=1时,即使用GISSMO 损伤模型,NCS用于控制损伤计算频率 如 NCS=0.0001 在每次塑性应变增量时检查。当IDAM<0时,即IDAM为负值,NCS为不稳定损伤演化与演化准则间的塑性应变增量。-02-Card2选项MNPRES:失效时的最小压力Pmin.SIGP1:失效时的最大主应力σmin,单位MPa。若设为负值,表示主应力值为应变率相关曲线的ID。SIGVM:失效时的最大等效应力σmax,单位MPa。通过将SIGVM设置为适当的载荷曲线ID的负值,使失效时的等效应力成为有效应变率的函数。MXEPS:失效时的最大主应变εmax。通过将MXEPS设置为适当载荷曲线ID的负值,使失效时的最大主应变成为有效应变率的函数。EPSSH:失效时的拉伸剪切应变,γmax/2.SIGTH:阈值应力σₒ。IMPULSE:失效时的应力冲量阈值Kf.Tuler-Butcher 应力冲量阈值(∫(σ₁-σ_thre) dt≥ IMPULSE 时失效)。适用于动态冲击场景(如爆炸)。FAILTM:失效时间,当满足特定的失效准则(如应力、应变等条件)且达到预设的失效时间时,单元将被判定为失效并从计算中移除。 -03-Card3选项 Card3及以后卡片为可选项。IDAM:损伤模型标志。IDAM=0,表示没用损伤模型被使用。IDAM=1,表示使用GISSMO(广义增量应力状态依赖性损伤模型)。IDAM<0时,即IDAM为负值,-IDAM表示应用损伤起始和演化模型(DIEM)准则的数量。DMGTYP:① IDAM=1时,即GISSMO损伤类型,以下内容适用。DMGTYP为损伤类型编码: M=0,损伤是累积的,与流动应力没有耦合,没有失效。M=1,损伤是累积的,单元失效发生在D=1(损伤D),损伤与流动应力的耦合。N=0,等效塑性应变是损伤的驱动量。(更准确地说,LSPrePost将历史变量标记为“塑性应变”,历史变量实际表示的内容取决于材料模型。)。N>0,第N个附加历史变量是损伤的驱动量。这些额外的历史变量与*DATABASE_EXTENT_BINARY关键字的NEIPS和NEIPH字段标记的变量相同。例如,对于设置为*MAT_187的实体单元,N = 6 为选择体积塑性应变作为GISMO损伤的驱动量。② IDAM<0时,应用损伤起始和演化模型(DIEM),以下内容适用。DMGTYP=0,未采取任何行为。DMGTYP=1,损伤历史基于初始塑性应变和初始应变张量的值启动,这将用于多阶段分析。LCSDG: 损伤累积曲线的ID或表ID(η-ε_f 曲线或 η-L-ε_f 表)。荷载曲线定义失效时的等效塑性应变与三轴性。表为每个Lode参数值(在-1和1之间)定义了一个曲线ID,给出了该Lode参数的等效塑性应变与三轴性的关系。ECRIT:临界塑性应变。ECRIT<0时,|ECRIT |是定义临界等效塑性应变与三轴性关系的载荷曲线ID,或者是定义临界当量塑性应变随三轴性和Lode参数变化的表ID(如LCSDG)。ECRIT=0时,读取定义临界损伤的固定值DCRIT(临界损伤阈值)。ECRIT>0时,应力状态无关临界等效塑性应变的固定值。DMGEXP:非线性损伤累积指数。DCRIT:损伤阈值(临界损伤)。如果ECRIT给出了临界塑性应变或固定值的载荷曲线,则忽略输入。FADEXP: 损伤相关应力衰减指数,控制损伤后的应力软化速率。<0时,|FADEXP|是定义单元尺寸相关衰减指数的荷载曲线ID; >0时,恒定衰减指数。LCREGD:正则化曲线ID,定义了GISMO损伤模型中等效塑性应变失效的单元尺寸相关正则化因子。IDAM=0时,此功能也可用于卡片1(MXPRES、MNEPS、EFFEPS、VOLEPS)、卡片2(MNPRES、SIGP1、SIGVM、MXEPS、EPSSH、IMPULSE)和卡片4(LCFLD、EPSTHIN)等的标准(非GISSMO)失效准则。定义失效应变随单元尺寸的缩放关系。-04-Card4选项 卡片4是IDAM>0时的附加卡片。关键字如下:SIZFLG: 单元尺寸确定方法的标志。SIZFLG=0时,基于未变形面积或体积,单元尺寸分别以单元面积(壳)的平方根或单元体积(实体)的立方根确定。SIZFLG=1时,基于时实边长,每个时间步长都会更新单元大小,并将其确定为平均边长(添加此选项是为了确保与*MAT_120的可比性,不建议用于一般用途)。REFSZ: 参考单元尺寸,将产生额外的损伤输出。这对于确保在转移到不同网格尺寸时产生的损伤量的适用性是必要的。NAHSV: 损伤模型中应存储在标准材料历史数组中以进行后处理的历史变量数量。LCSRS: 失效应变随单元尺寸缩放的曲线ID,定义了LCSDG(损伤累积曲线)的破坏应变比例因子与应变率的关系。如果曲线中的第一个应变率值为负,则假设所有应变率值都是应变率的自然对数。曲线不应外推到零,否则在低应变下可能会发生错误。该参数>0时,缩放ECRIT(临界塑性应变),<0时,不缩放ECRIT.SHRF: 三轴性=0(剪切)时正则化的减缩因子。BIAXF: 三轴性为2/3(双轴)时正则化的减缩因子。-05-Card5、Card6选项卡片5和卡片6为损伤初始和演化卡片对。用于IDAM <0时(包含用于| IDAM |的卡片5和6)。DITYP: 损伤初始类型。DITYP=0时,基于应力三轴性的延性。DITYP=1时,剪切。 DITYP=2时,MSFLD DITYP=3时,FLD DITYP=4时,基于归一化主应力的延性。 P1: 损伤初始参数。 DITYP=0时,荷载曲线ID或表ID。代表损伤开始时的塑性应变,作为应力三轴度𝜂和塑性应变率(可选)的函数。 DITYP=1时,荷载曲线ID或表ID。代表损伤开始时的塑性应变,作为剪切影响参数𝜃和塑性应变率(可选)的函数。 DITYP=2时,荷载曲线ID或表ID。代表损伤开始时的塑性应变,作为主塑性应变率比率𝛼和塑性应变率(可选)的函数。 DITYP=3时,荷载曲线ID或表ID。代表损伤开始时的塑性应变,作为主塑性应变率比率𝛼和塑性应变率(可选)的函数。 DITYP=4时,荷载曲线ID或表ID。代表损伤开始时的塑性应变,作为应力状态参数𝛽和塑性应变率(可选)的函数。 P2:损伤初始参数。 DITYP=0时,无用。 DITYP=1时,表示压力影响因子𝑘𝑠。 DITYP=2时,层规格,P2=0时,表示中间层;P2=1时,表示外层; DITYP=3时,层规格,P2=0时,表示中间层;P2=1时,表示外层; DITYP=4时,三轴性影响参数𝑘𝑑。 P3:损伤初始参数。 DITYP=0时,无用。 DITYP=1时,无用。 DITYP=2时,初始方法,P3=0时,表示Direct;P3=1时,表示Incremental; DITYP=3时,初始方法,P3=0时,表示Direct;P3=1时,表示Incremental; DITYP=4时,无用。 DETYP:损伤演化类型。DETYP=0时,线性软化,损伤演化是损伤开始后的塑性位移的一个函数。DETYP=1时,线性软化,损伤演化是在损伤启动后断裂能的一个函数。 DCTYP:多准则下的损伤复合选项。 DCTYP=-1时,与应力无关的损伤. DCTYP=0 时,Maximum. DCTYP=1 时,Multiplicative. Q1:损伤演化参数。 DETYP=0时,失效时的塑性位移。负值表示对应的是塑性位移作为三轴性和损伤的函数表格的ID。 DETYP=1时,失效时的断裂能𝐺𝑓。 Q2:设置为 1.0 表示可在积分点发生失效时,将信息输出到日志文件(messag 和 d3hsp)。 -06-Card7选项 带有额外失效准则的可选卡片。LCFLD:荷载曲线ID或表ID .荷载曲线定义了成型极限图(FLD),其中,较小的工程应变(以百分比表示)被定义为横轴值,而较大的工程应变(以百分比表示)则被定义为纵轴值。表格为每种应变率定义了相应的FLD曲线。在定义这条曲线时,列出从最左点开始到最右点结束的一系列小应变和大应变的对。这一准则仅适用于壳体单元。EPSTHIN:薄壳和厚壳在失效时减薄的应变。EPSTHIN>0时,每个减薄的应变是每个积分点的Z向应变;EPSTHIN<0时,平均减薄应变是单元的厚度改变量。ENGCRT: 非局部失效判据的临界能量。RADCRT:非局部失效判据的临界半径。内容太多了,失效的定义以后再讲吧~来源:薛定谔的Cube

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