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LiToSim vs 商软(五)钢筋混凝土

3月前浏览300

   
   
钢筋混凝土是土木工程领域应用最广泛的结构材料之一。从房建、桥梁、隧道到水利与地下工程,结构承载力验算、破坏形态预判以及抗震性能评估,都离不开可靠的力学分析工具。    

     

相比传统实体试验,数值模拟具备成本更低、周期更短、参数可调性更强等优势,也更适合系统分析混凝土从开裂、屈服到压溃的全过程响应。本文以典型路基路面工况为例,从整体算例到核心功能模块,展示 LiToSim 在钢筋混凝土数值仿真中的计算精度与工程适用性。


   
   

   

阅读导引

  • 先看整体算例,快速了解 LiToSim 在完整土木场景下的表现。
  • 再看三项核心能力,理解精度来源于底层支撑。
  • 最后看总结结论,判断其在工程应用中的可用价值。

核心结论

LiToSim 在整体模型、CDP 材料本构、嵌入式单元约束以及大变形塑性杆单元等关键能力上,计算结果与主流商用软件高度一致,多项核心指标偏差控制在工程可接受范围内。


   
   

一、路基路面整体算例分析
     

   


先从完整工况入手,看 LiToSim 在真实工程建模逻辑下的整体响应能力。


         
01
         
模型概况
         
         


本算例还原了土木工程中典型的"钢筋混凝土板 - 垫层 - 土基"层状传力结构。钢筋埋置于混凝土板内部,结构下方依次设置垫层与土基,用于模拟上部荷载作用下的结构变形、应力传递与损伤演化过程。            

             

有限元模型采用分层离散方案:

  • 混凝土、垫层与土基采用实体单元。
  • 钢筋采用桁架杆单元。
  • 模型同时考虑层间接触、嵌入式约束以及非线性求解过程。
                   

    路基路面整体算例展示图


项目                  
内容                  
单元                  
混凝土、垫层与土基采用实体单元元,钢筋采用桁架杆单元。                  
材料                  
混凝土采用 ‎Concrete Damaged Plasticity (CDP) 塑性损伤本构;钢筋采用硬化塑性本构。                  
相互作用                  
结构层间采用面接触 + 罚函数算法模拟界面滑移与传力;钢筋通过嵌入式单元约束嵌入混凝土基体。                  
求解策略                  
分步加载:先施加重力场,再施加竖向压力,最后引入温度荷载;由小变形线性阶段过渡到大变形非线性阶段,以提升收敛稳定性。                  

表1 路基路面整体算例概况


       
         
02
         
精度对标结果
         
         


为量化验证 LiToSim 的计算可靠性,本文从钢筋部件、混凝土部件以及整体模型三个层级,逐步开展与主流商用软件的对标验证。            

           

           

2.1 钢筋部件对标


               

           
               
               

(a)位移               (b)应力

 钢筋部件的 LiToSim 计算结果


指标                
商软                
LiToSim                
偏差                
‎‎位移                
9.177e-3                
9.234e-3                
0.62%                
应力                
2.179e5                
2.107e5                
3.30%                

表2 钢筋部件的精度对标结果



2.2 混凝土部件对标


               


               
               

(a)位移               (b)应力

 混凝土部件的 LiToSim 计算结果


指标                
商软                
LiToSim                
偏差                
‎位移                
9.201e-3                
9.271e-3                
0.76%                
‎应力                
6.400e3                
6.771e3                
5.80%                

表3 混凝土部件的精度对标结果



2.3 全模型对标


               


               
               

(a)位移               (b)应力

全模型的 LiToSim 计算结果


           
指标                  
商软                  
LiToSim                  
偏差                  
位移                  
9.300e-3                  
9.362e-3                  
0.67%                  
‎应力                  
2.179e5                  
2.107e5                  
3.30%                  

表4 全模型的精度对标结果


       

从钢筋部件、混凝土部件到整体模型,LiToSim 的结果均与商软保持较高一致性,说明其不仅单点能力可靠,组合场景下也具备较好的稳定性。

         

       


   
   

二、核心功能解耦验证
     

   


将整体结果拆开来看,更能说明 LiToSim 的精度不是偶然,而是来自底层能力的系统支撑。


         
01
         
CDP 材料本构验证
         
         


CDP 材料本构是混凝土非线性分析中的关键基础模块,决定了开裂、压碎与刚度退化的描述能力。


1.1 基本理论


               


混凝土的力学行为具有两个典型特征:

  • 拉压不对称:受拉时表现出明显脆性开裂特征,受压时则经历硬化、峰后软化过程。
  • 刚度退化:裂缝扩展与压碎损伤会导致材料刚度持续下降。

                 

CDP模型通过独立的拉、压损伤因子描述两种受力状态下的刚度折减,其应力应变关系可写为:

受拉情况:

受压情况:

其中:

参数                
含义                
               

总应力

               
总应变                  
               
混凝土初始弹性模量                  
               
受拉损伤因子(取值范围均为 ‎[0, 1])                  
               
受压损伤因子(取值范围均为 ‎[0, 1])                  



1.2 参数输入说明


               


LiToSim 的 CDP 参数输入体系与主流商用软件保持兼容,主要包括塑性控制参数和拉压本构数据两部分。

           

表5 塑性参数输入


           

LiToSim 塑性参数输入窗口


拉压本构数据需要分别输入受压、受拉两组数据,每组均包含应力 - 应变曲线与损伤因子演化曲线。

参数名                
含义                
屈服应力                
对应非弹性应变下的混凝土压应力或拉应力                
非弹性应变 / 开裂应变                
总应变扣除纯弹性应变后的剩余部分                
损伤因子                
对应应变下的刚度退化程度                

表6 本构数据输入


               
               
LiToSim 受压本构数据输入            
应力 - 非弹性应变与损伤因子 - 非弹性应变曲线            

           
               
               
LiToSim 受拉本构数据输入            

应力 - 非弹性应变与损伤因子 - 非弹性应变曲线



1.3 精度对标


               


为单独验证 CDP 本构的计算精度,本文以标准混凝土立方体单轴受压试验为基准工况,开展单轴压缩数值模拟,并提取位移、等效塑性应变和 Mises 应力三项核心指标,与商软结果进行对比。

               
               

(a)位移               (b)应力


(c)等效塑性应变

标准混凝土立方体单轴受压仿真结果


指标                
商软                
LiToSim                
偏差                
‎位移                
9.825e-3                
9.354e-3                
4.79%                
‎应力                
1.517e5                
1.521e5                
0.29%                
‎塑性应变                
1.076e-1                
1.085e-1                
0.81%                

表7 标准混凝土立方体单轴受压数值模拟的精度对标结果


在单轴受压标准工况下,LiToSim 对位移、应力和塑性应变的计算结果均表现稳定,能够支撑土木工程中常见的混凝土非线性分析需求。


       


             
02
               
嵌入式单元(Embedded Element)                
             


对钢筋混凝土而言,嵌入式约束是否稳定,直接影响建模效率与计算可信度。

             

     

嵌入式单元是钢筋混凝土模拟中最主流的建模方式之一。通过将钢筋单元的位移约束于混凝土基体单元,无需对齐网格即可实现两者变形协调,从而显著提升复杂配筋结构的建模效率。



2.1 模型概况


         


           
           

嵌入式约束模型算例展示图


验证模型采用标准的"基体 - 嵌入体"形式:

  • 母体单元:实体单元,模拟混凝土基体
  • 嵌入单元:杆(桁架)单元,模拟钢筋
  • 约束方式:‎嵌入式约束(‎Embedded Region)

             


2.2 参数说明


         


参数            
含义            
‎Embedded Region            
需要嵌入基体的钢筋部件            
‎Host Region            
承载嵌入单元的混凝土基体部件            
‎Roundoff Tolerance            
计算舍入误差容差,用于控制数值精度阈值            
‎Tolerance Method            
容差计算方式,可选绝对容差、相对容差或联合判定            
‎Absolute Tolerance            
绝对容差值,适用于网格尺寸统一的模型            
‎Fractional Tolerance            
相对容差值,适用于网格尺寸差异较大的模型            

表8 嵌入式约束的参数说明



2.3 对标结果


         


分别从基体混凝土与嵌入钢筋两个维度验证后发现,无论是位移还是应力,LiToSim 的计算结果都与基准值高度一致。

           
           

(a)位移            (b) 应力

主体区域的 LiToSim 计算结果


指标            
商软            
LiToSim            
偏差            
‎位移
           
1.392e-5            
1.392e-5            
0.00%            
‎应力
           
1083.2            
1083.2            
0.00%            

表9 主体区域的精度对标结果



       
           
           

(a)位移               (b) 应力

嵌入区域的 LiToSim 计算结果


指标            
商软            
LiToSim            
偏差            
位移            
6.203e-6            
6.203e-6            
0.00%            
‎应力
           
1729.2            
1729.3            
0.00%            

表10 嵌入区域的精度对标结果


无论是主体区域还是嵌入区域,LiToSim 都展现出接近零偏差的结果,说明嵌入式单元约束算法已具备较高成熟度。



         
03
         
大变形塑性杆单元
         
         


几何非线性与材料塑性的耦合能力,是非线性求解器是否可靠的重要试金石。Y 形三杆大变形模型则是验证杆单元几何非线性的标准算例。


       

3.1 模型概况


         


     

大变形塑性杆模型展示图


项目          
内容          
几何模型          
三根杆件呈对称 Y 形布置,上端三节点铰接固定,下端共节点汇交          
边界条件          
上端三个节点固定约束(铰接)          
荷载条件          
下端汇交点施加竖向集中力 ‎F(沿 ‎-Y 方向)          
单元类型          
桁架 / 杆单元          
材料模型          
弹塑性材料(含屈服应力 - 塑性应变曲线)          
分析类型          
几何非线性          

表11 大变形塑性杆模型概况



3.2 精度对标


         


计算结果显示,位移、主应变和 Mises 应力三项指标均与商软结果高度吻合,其中应力结果完全一致,位移与应变偏差仅为 0.05%。

         
         

(a)位移               (b)应力

     

(c)第一主应变

大变形塑性杆单元计算结果


指标          
商软          
LiToSim          
偏差          
‎位移
         
0.014121          
0.014114          
0.05%          
‎主应变
         
0.001411          
0.001410          
0.05%          
‎应力
         
39508          
39508          
0.00%          

表12 大变形塑性杆模型的精度对标结果

在标准大变形杆单元算例中,LiToSim 的位移、应变与应力响应均与商软高度吻合,表明其在几何非线性与弹塑性耦合计算中具备稳定表现。



   
   

三、总结
     

   


如果从工程应用角度看,这组结果的意义不只是“能算”,更在于“算得准、算得稳、可持续扩展”。



   
从整体路基工况到核心功能模块,LiToSim 在钢筋混凝土土木场景下展现出稳定、可靠的计算表现。在整体模型层面,结构变形与应力响应与主流商用软件保持较高一致性。在材料层面,CDP 本构能够较好描述混凝土开裂、压碎及刚度退化行为。在约束与单元层面,嵌入式单元和大变形塑性杆单元均表现出优异的数值精度。      

     

综合来看,LiToSim 已具备服务土木工程常见混凝土结构静力非线性分析的基础能力。随着后续在更复杂工况与行业场景中的持续验证与优化,其工程应用价值有望进一步提升。


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来源:重庆励颐拓软件
ACT非线性通用水利理论材料控制试验
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首次发布时间:2026-06-23
最近编辑:3月前
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