ANSYS Workbench焊缝疲劳仿真分析（名义应力法）

钢筋混凝土是混凝土和钢筋结合形成的复合材料，广泛应用于建筑、基础设施等工程。混凝土基材可以抵抗大的压应力，但在拉伸载荷下很快失效。钢筋抵抗拉伸应力，使复合材料能够更好地承受压缩和拉伸载荷。混凝土结构的工程设计包括确定给定结构失效时的荷载极限。本例为钢筋混凝土板在表面压力载荷下的载荷极限分析。根据本例方法可扩展分析其他类型的钢筋混凝土构件极限承载力。-01-模型概况本例中混凝土板尺寸为6m×4m×0.2m。结构板受到其重力荷载和表面均布压力载荷的影响。表面压力载荷增加，直到发生破坏。结构的边界条件为：在板短边处垂直y方向上受到支撑。由于满足对称条件，可以简化模型为四分之一模型，简化模型如下图所示。结构板由混凝土作为基体材料，并结合了钢筋增强结构，以抵抗受弯作用下产生的应力。钢筋网位于板顶面hr=170m的板厚度处，即保护层厚度约20mm(考虑钢筋直径)。板所用钢筋直径为12mm，X方向上钢筋间距为Δdz=0.15m。因此，钢筋在x方向上的分布面积为Asz=0.25πd^2*(1/Δdx)=753.6mm2/m。本例通过加强筋单元（reinforcingelements）REINF264将钢筋增强的影响纳入模拟模型。混凝土采用SOLID186线性实体单元，具采用默认的减缩积分模式（KEYOPT（2）=0），如下图。在混凝土板的厚度上由4层单元组成，以保障单元对弯曲模拟的准确性。-02-建模与材料参数打开workbench，拖入静力结构分析模块，如下图。双击“geometry”进入spaceclaim，根据模型概况描述中的尺寸建立三维几何模型（1/4模型）。模型较为简单，具体建模过程不赘述。建模时注意，本例中钢筋直径为12mm，钢筋单向布置，比较简单。对于复杂模型，钢筋建模建议在CAD中完成，再行装配，更方便。此外，在分析前，尤其对有交叉节点的钢筋网等，模型建立完成后需要点击一下“share”以完成共节点操作，如下图。本例无需。模型建立完成关闭spaceclaim后，双击engineeringdata，进行材料创建。本例中材料为混凝土和钢筋。混凝土材料参数如下图所示。混凝土本构可采用DPC模型（Drucker-Prager）或MW模型（Menetrey-Willam），其中两类模型的软化模型（softening）可选择。本例采用的是DPC模型，软化模型采用的是指数HSD2模型。关于材料参数的具体含义可参阅笔者之前的文章：如何在ANSYSworkbench中定义DPC或MW混凝土本构模型？，或直接查询ANSYS帮助文档。钢筋材料参数如下图。本例采用双线性等向强化模型，将切线模量取为0，即理想弹塑性模型。材料参数设置完成后，双击“model”进入分析界面。然后，将材料赋予相应的实体或线体，如下图。如上图，线体赋予钢筋材料“bar”,本例钢筋增强的影响通过加强筋单元（ReinforcingElements）REINF264模拟，因此需将“ModelType”设置为“Reinforcement”。-03-网格划分与模型对称设置对于弯曲类构件，通常在厚度方向一般需要4层网格，以提高计算准确性。因此，划分网格时，将厚度方向划分为4层单元，如下图所示：模型整体，包括线体，网格划分为100mm，如下图所示。建议网格划分不要小于50mm。对于钢筋混凝土构件，钢筋与混凝土单元的体积比过大，可能出现意想不到的错误结果。本案例中，采用的是1/4模型，因此需要设置轴对称。设置前需要根据对称面建立对称轴，如下图：然后插入对称区域，如下图所示：两个对称区域的设置如下图。对称区域设置时注意坐标系选择上一步建立的局部坐标系，且注意修改对称轴方向。对称面设置好后，单击“symmetry”，在详细信息面板中设置如下：上图的设置中：“NumRepeat”表示对称重复次数，本例轴对称为2次；“method”选择half，一半；△X、△Y、△Z对应了所选坐标系的三个方向，在对称区域面的法线方向上填入一个微小的距离即可，单需要注意正负号，以对应对称时生成模型的方位。所选坐标系为对应的“symmetryregion”下的局部坐标系及其方向。设置完成后，单击“mesh”即可生成如下规整的网格：-04-边界条件和分析设置本案例采用两个载荷步，第一个载荷步施加混凝土板本身重力，第二个载荷步保持重力荷载，在板面上在施加压力载荷20kPa，均为线性斜坡加载。如下图所示，荷载设置前，需在“analysissetting”面板下先改为2个载荷步。约束方面，约束短边底部线体y方向位移，如下图所示，以模拟简支约束。分析设置方面，如上所述，设置两个载荷步，每个载荷步均打开“自动时间步”，并设置相关初始子步、最小子步和最大子步数量，如下图所示：输出方面，建议打开非线性数据和节点力，方便后处理。-05-分析收敛设置建议极限荷载分析属于非线性分析，通常需要打开大变形选项，线性搜索，如下图。对于土木工程分析而言，对收敛精度要求没有机械行业高，而ANSYS中设置的力收敛准则、位移收敛准则等都比较严格，工程分析可将力收敛和位移收敛放宽控制在5%以内，以帮助收敛，如下图。除此以外，建议适当放宽软件计算时的收敛计算的子步迭代步计算数量。默认情况一般在25步，也就是超过25次迭代步，直接中断计算，此处我们放宽至50步。需要在staticstructural下插入命令流，如下图：/SOLU!进入求解器模块NEQIT,50!更改子步的最大迭代步为50以上设置完成后，可以进行初步计算。从计算输出可以看到，单元类型包括三种：solid186单元为混凝土采用的单元，REINF264为钢筋采用的加强筋单元。SURF154为三维结构表面效应单元，用于施加各种荷载和表面效应，可覆盖在实体单元或壳单元的表面。通常弯曲问题采用减缩积分的二次单元，可以减小单元扭曲，减小剪切自锁，获得比较好的结果。下图为solid186单元的KEYOPT设置情况，可以看到KEYOPT（2）=0。软件默认情况就是采用减缩积分的二次单元。以上设置后，如果还是不收敛，还可以将“solvertype”改为直接求解（direct），Newton-Raphsonoption改为：modified或unsymmetric，也能提高收敛性能。具体参数的理解可参阅：直接求解与迭代求解的区别浅析Newton-Raphson算法，理解ANSYS中非线性求解相关术语及设置！值得一提的是，非线性问题的计算，通常很难按照预定的设置在整个分析过程中全部收敛。在收敛调试过程时，可以打开重启动选项，逐渐调试。有时，计算也需要多次尝试，还可以采用弧长法、稳定能量法等加强收敛的计算方法。同时，计算也需要根据未完全收敛的分析结果判断是否达到了计算需要。如本例中，需要根据结果判断是否已经达到了荷载极限。计算不一定会计算到设定的结束点，只要判断荷载极限达到后，就认为达到计算目的了。本例计算的力收敛情况如下图，可以看到洋红色点线非常靠近蓝色线上部，表示收敛比较困难。计算结束时并未达到2s时的设定位置。-06-计算结果分析计算结果表明，混凝土板已发生大变形，最大变形达到了惊人的75.269mm，混凝土等效塑性应变最大达到了0.0010702，如下图各所示。钢筋混凝土板总变形钢筋混凝土板总等效应变钢筋混凝土板等效塑性应变从上图的等效塑性应变可以看到，塑性应变最大在板中部，这与实际受力模式一致。可以将塑性应变分布看作裂纹分布的趋势。应力方面，板材等效应力最大17.497MPa，下图，未达到压溃时的强度28MPa。结合以上分析，表明板配筋偏少，实际配筋率仅为：3.14*6*6*(1/0.15)/(200*1000)=0.3768%这表明板材失效可能是钢筋屈服引起的。为此，可以在经典界面查看，加强筋单元（ReinforcingElements）REINF264的应力情况，可以看到部分钢筋应力超过了500MPa的屈服强度，已经发生屈服。混凝土最大应力钢筋应力情况下图为板中间底部处混凝土应力随时间的变化情况，可以看到板材在2.2MPa左右的拉应力下突然发生应力下降，表明在此处板材发生了开裂。这与设定的混凝土抗拉强度一致。根据时间和加载方案可确定初始开裂荷载为：F=2500*9.81*0.2/1000*0.76=3.7278kN可以看到初始开裂时，第一个载荷步还未完成，表明混凝土板在自重下就发生了初裂，后续加载均为带裂缝工作。在支反力方面，下图给出了计算结果的单边支承反力为85934N，由于本例设置了对称，实际支反力应为：85934*2=171868N，即171.868kN。根据前面的信息，我们可计算最终结束计算时的总荷载为：2500*9.81*0.2/1000+0.4684*20=14.27kN/㎡支承部位支反力为：14.273*4*6/2=171.276kN这与软件输出结果基本一致。在弯矩方面，下图为软件输出的跨中最大弯矩52.497kN.m，由于本例设置了对称，实际跨中弯矩为：Mx=52.497*2=104.994kN.m可将有关数据输出到excel，对有关数据处理后可得到如下支反力-位移曲线和跨中弯矩位移曲线。为了看看不同本构模型计算结果的差异，笔者将混凝土模型修改为MW模型（Menetrey-Willam），重新计算后，结果如下：绿色的虚线为MW模型计算结果，总体来说比DP模型计算结果略大，计算时间步更长一点，收敛性略好。来源：薛定谔的Cube