ABAQUS(Explict)混凝土開裂模型翻譯

1、混凝土開裂模型適用模塊：Abaqus/ExplicitAbaqus/CAE參考“Materiallibrary:overview,”Section18.1.1“Inelasticbehavior,”Section20.1.1*BRITTLECRACKING*BRITTLEFAILURE*BRITTLESHEAR“Definingbrittlecracking”in“Definingothermechanicalmodels,”Section12.9.4oftheAbaqus/CAEUsersManual概述Abaqus/Explicit模塊中脆性斷裂模型：提供一種通用模型來模擬包括梁單元、桁架

2、單元、殼單元以及實(shí)體單元在內(nèi)的所有單元形式；也可以用來模擬諸如陶瓷及脆性巖石的其他材料；用于模擬受拉開裂占主導(dǎo)地位的材料本構(gòu)行為；假設(shè)受壓行為是線彈性的；必須與線彈性模型(“Linearelasticbehavior”Section1921)同時使用，它也定義了材料開裂前的本構(gòu)行為；用于模擬脆性行為占主導(dǎo)地位的本構(gòu)關(guān)系是十分準(zhǔn)確的，基于此，假設(shè)受壓行為是線彈性的是合理的；該模型主要是用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析，同時也適用于素混凝土；基于脆性失效準(zhǔn)則，將失效單元刪除；關(guān)于失效單元刪除的內(nèi)容詳見“Acrackingmodelforconcreteandotherbrittlematerials,”S

3、ection4.5.3oftheAbaqusTheoryManual.關(guān)于ABAQUS中可用混凝土本構(gòu)模型的相關(guān)討論參見Inelasticbehavior,”Section20.1.1鋼筋A(yù)BAQUS中，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋是通過指定Rebar單元實(shí)現(xiàn)的。Rebar單元是一維應(yīng)變理論單元（桿單元）既可以單獨(dú)定義，也可以鑲嵌在有向曲面上。關(guān)于Rebar單元的相關(guān)討論參見Definingrebarasanelementproperty,”Section2.2.4。Rebar單元特別地用來模擬鋼筋的彈塑性行為，并且可疊加在用于模擬素混凝土標(biāo)準(zhǔn)單元的網(wǎng)格上?；谶@種模擬方法，混凝土的開裂行為與Rebar

4、是沒有關(guān)系的?；炷梁弯摻钪g的相互作用，例如粘結(jié)滑移、銷栓作用，可以引入拉神硬化（強(qiáng)化）的概念來近似模擬混凝土裂縫處荷載向鋼筋轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。Abaqus/Explicit中使用彌散裂縫模型來表征混凝土脆性行為的非連續(xù)性。這種方法并不關(guān)注于單個宏觀裂縫，相反地，只是獨(dú)立地計算有限元模型質(zhì)點(diǎn)處的本構(gòu)關(guān)系。裂縫的存在對于計算的影響在于：裂縫的存在影響質(zhì)點(diǎn)處的應(yīng)力和材料剛度。為簡化本部分討論內(nèi)容，“開裂”一詞實(shí)質(zhì)上代表的是一個方向所考慮單個質(zhì)點(diǎn)處裂縫的方向，與其最相近的物理解釋為：在一個質(zhì)點(diǎn)附近出現(xiàn)一系列連續(xù)的微裂縫，其方向由模型本身決定。裂縫的出現(xiàn)使材料具有各向異性的特點(diǎn)，這也是在模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系

5、模型中重要的一點(diǎn)。Abaqus/Explicit開裂模型假設(shè)裂縫位置固定，方向正交，一個質(zhì)點(diǎn)處裂縫數(shù)量的最大值由有限元模型質(zhì)點(diǎn)處直接應(yīng)力分量的方向決定（三維問題、平面應(yīng)變問題以及軸對稱問題最多有三條裂縫，平面應(yīng)力問題及殼單元問題最多有兩條裂縫，梁和桁架問題最多一條裂縫）。一旦某一質(zhì)點(diǎn)處出現(xiàn)裂縫，所有的向量和張量的分量即旋轉(zhuǎn)一個方向，這樣使得裂縫處于一定的局部坐標(biāo)系下，該局部坐標(biāo)系則根據(jù)開裂方向向量（開裂面的法向量）定義。模型保證這些開裂面法向量都是正交的，因此局部開裂坐標(biāo)系可以用笛卡爾直角坐標(biāo)系表示。輸出的結(jié)果則既可以在整體坐標(biāo)系下表示也可以在局部坐標(biāo)系下表示。Abaqus中應(yīng)用簡單的Rank

6、ine準(zhǔn)則判斷裂紋的開裂，該準(zhǔn)則為：當(dāng)脆性材料的最大主拉應(yīng)力超過其拉應(yīng)力強(qiáng)度限制時裂縫即出現(xiàn)。雖然裂縫檢測是基于I型裂縫（張開型裂縫），但是之后的開裂行為模擬同時包含了I型（拉伸軟化/硬化）和口型（剪切軟化/傳遞）的力學(xué)行為，如下所述。一旦達(dá)到Rankine準(zhǔn)則的要求，就假設(shè)第一條裂縫形成。開裂面的法向量與最大主拉應(yīng)力的方向相同。后續(xù)形成裂縫的開裂面的法向仍與最大主拉應(yīng)力的方向相同，這樣同一點(diǎn)處相繼出現(xiàn)裂縫的開裂面的方向均是正交的。裂縫是不可恢復(fù)的，就此而言，某一質(zhì)點(diǎn)處裂縫一旦出現(xiàn)就會貫穿后續(xù)計算的始終。然而，裂縫會沿著開裂面的法線方向閉合和重新張開。該模型忽略與裂縫相關(guān)的永久性應(yīng)變，即假設(shè)：

7、當(dāng)裂縫處的應(yīng)力由拉變?yōu)閴簳r，裂縫是可以完全閉合的。拉伸硬化（拉伸強(qiáng)化）可以通過定義失效后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系或者斷裂能量開裂準(zhǔn)則，來人為指定裂縫處直接應(yīng)變的后失效力學(xué)行為。失效后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系指定鋼筋混凝土失效后力學(xué)行為實(shí)質(zhì)上就是給定裂縫處應(yīng)力應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系（如Figure2062-1所示）對于混凝土中含有少量或者沒有鋼筋的情況，這種處理方式會最終帶來網(wǎng)格敏感性問題，這也就意味著隨著網(wǎng)格劃分的精細(xì)化有限元分析并不收斂于唯一解，這是由于網(wǎng)格劃分的精細(xì)化使得裂縫趨于變窄。Figure20.6.2-1Postfailurestress-straincurve.在鋼筋混凝土實(shí)際計算中，通常所劃分網(wǎng)格的每個單元中

8、都包含有鋼筋。在這種情況下，鋼筋與混凝土的相互作用就會減輕網(wǎng)格敏感性問題，但其前提是在開裂模型中能夠合理的引入拉伸硬化來模擬鋼筋與混凝土的相互作用。這就需要預(yù)先估計拉伸硬化的影響程度，其取決于以下因素：鋼筋密度（可以理解為配筋率）鋼筋與混凝土的連接質(zhì)量，混凝土骨料與鋼筋直徑的相對尺寸以及網(wǎng)格劃分。對于網(wǎng)格劃分較細(xì)的大量配筋的混凝土模型而言，較為合理的是一點(diǎn)假設(shè)就是：當(dāng)材料失效后進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力由失效應(yīng)力線性地下降到零，并且應(yīng)力為零時的應(yīng)變值應(yīng)該是失效應(yīng)變的10倍。對于標(biāo)準(zhǔn)的混凝土而言，失效應(yīng)變一般都在10-4數(shù)量級，這也就意味著在拉伸硬化階段當(dāng)應(yīng)力降至為零時的總應(yīng)變值為10-3的數(shù)量級才

9、是合理的，但對于特定情況，這一參數(shù)值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。在靜態(tài)分析中，如果僅考慮過弱的拉伸強(qiáng)化現(xiàn)象，則會導(dǎo)致局部混凝土裂縫失效，進(jìn)而導(dǎo)致模型整體分析的暫時不穩(wěn)定行為。很少有實(shí)際的設(shè)計體現(xiàn)這一行為，所以上述不穩(wěn)定行為的產(chǎn)生一般都是由沒有合理地考慮拉伸硬化現(xiàn)象所引起的。輸入文件用法：*BRITTLECRACKING,TYPE=STRAINAbaqus/CAE用法：Propertymodule:materialeditor:Mechanical:,BrittleCracking:Type:Strain當(dāng)模型的顯著區(qū)域沒有鋼筋時如上所述的拉伸硬化就會給計算結(jié)果帶來不合理的網(wǎng)格敏感性問題。然而，被廣泛接受的Hi

10、llerborg（1976）的斷裂能量的提議能夠充分緩解對很多實(shí)際問題的擔(dān)憂。Hillerborg利用脆性開裂的概念定義開裂能量U）為：產(chǎn)生單位面積裂縫（I型裂縫）所需能量，并把開裂能量視為一種材料參數(shù)。利用這種方法，混凝土材料的脆性行為可以通過應(yīng)力位移關(guān)系確定，而不僅僅是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在拉應(yīng)力作用下，混凝土標(biāo)段的某些區(qū)域會開裂，隨著裂縫的充分開展，裂縫處的應(yīng)力大部分都消失（彈性應(yīng)變很?。藭r裂縫具有一定長度，該長度主要由裂縫寬度決定，而不是由標(biāo)段長度決定。應(yīng)用在Abaqus/Explicit中，斷裂能量開裂模型的參數(shù)可以通過如下方式確定：以表格的形式指定失效后應(yīng)力與裂縫處位移的對應(yīng)關(guān)系，如

11、Figure20.6.2-2所示。Figure20.6.2-2Postfailurestress-displacementcurve.另外，1型裂縫的斷裂能量可以直接指定為材料本身的一種特性，這樣就可以以表格的形式定義失效應(yīng)力與I型裂縫的斷裂能量間的對應(yīng)關(guān)系。此模型假定：當(dāng)出現(xiàn)裂縫之后，材料強(qiáng)度線性損失。（如Figure2062-3所示）Figure2062-3Postfailurestress-fractureenergycurve.因此，材料強(qiáng)度完全損失時的裂縫名義位移一般情況下的取值范圍從40N/M(0.22lb/in)(適用于抗壓強(qiáng)度大致為20MPa,2850lb/in2的一般結(jié)構(gòu)混凝

12、土)至120N/M(0.67lb/in)(適用于抗壓強(qiáng)度大致為40MPa，5700lb/in2的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)混凝土)。輸入文件用法：用以下選項(xiàng)指定失效后應(yīng)力與位移的對應(yīng)關(guān)系：*BRITTLECRACKING,TYPE二DISPLACEMENT用以下選項(xiàng)指定失效后應(yīng)力與斷裂能量的對應(yīng)關(guān)系：*BRITTLECRACKING,TYPE=GFIAbaqus/CAE用法：Propertymodule:materialeditor:Mechanical:,BrittleCracking:Type:DisplacementorGFI在有限元模型中應(yīng)用應(yīng)力一位移相關(guān)的概念，需要定義與質(zhì)點(diǎn)相關(guān)的特征長度。裂縫特征長

13、度是基于單元的幾何特征和公式表述來確定的：對于一階單元，該長度是穿過一個單元的線段的典型長度，對于二階單元是穿過單元線段的典型長度的1/2。對于梁單元和桁架單元，該特征長度是單元軸向的特征長度，對于膜單元和殼單元則是參考面的特征長度（可以理解為膜或殼單元二維尺寸乘積的平方根）對于軸對稱單元可以理解為rz平面上的特征長度，對于粘聚單元可視為其組成厚度。之所以通過這種方法定義裂縫特征長度，是因?yàn)榱芽p產(chǎn)生方向無法人為預(yù)知。然而，裂縫的產(chǎn)生方向?qū)Ω邔挶龋ǘS尺寸比）較大的單元的力學(xué)行為有很大不同的影響，例如導(dǎo)致網(wǎng)格敏感性的發(fā)生。在事先無法預(yù)知裂縫形成方向的前提下，最好盡可能地將單元劃分為正方形網(wǎng)格，這

14、樣會取得較好的計算預(yù)期。剪力傳遞模型開裂模型有一個重要的特征為，鑒于裂縫的引入僅基于I型斷裂，而開裂后的力學(xué)行為則同時包含了I型和口型裂縫?？谛土芽p的剪切行為取決于裂縫開裂的數(shù)量，這一特征是基于普遍的試驗(yàn)結(jié)果得到的。更具體的說，裂縫處的剪切模量隨著裂縫的張開而減小。Abaqus/Explicit中提供了一種剪力傳遞模型，該模型把開裂后的剪切剛度定義為裂縫張開應(yīng)變的函數(shù)。應(yīng)用開裂模型時，必須定義剪力傳遞模型，0剪力傳遞是不能夠被使用的。在剪力傳遞模型中，通過定義開裂后的剪切模量,為未開裂前剪切模量的百分比來表示兩者關(guān)系，即1G未開裂材料的剪切模量;剪力傳遞系數(shù)，其大小由裂縫處的應(yīng)變決定?？扇藶橹?/p>

15、定p的分段線性關(guān)系，如Figure2062-4所示。式中p和-都是材料參數(shù)。其曲線如Figure20625所示。Figure20.6.2-5剪力傳遞模型的幕指數(shù)形式。*5k5k5k5k由曲線可以看出其滿足已下要求：(1)當(dāng)7時e這與裂縫產(chǎn)生前的狀態(tài)是相對應(yīng)的；(2)當(dāng)；.時,：一,這與骨料間的咬合力完全失去時的狀態(tài)是相對應(yīng)的。關(guān)于出現(xiàn)兩條或更多條裂縫剪力傳遞系數(shù)的計算方法的討論參見“Acrackingmodelforconcreteandotherbrittlematerials,”Section4.5.3oftheAbaqusTheoryManual。文件輸入方法：使用下列選項(xiàng)可以指定剪力傳

16、遞系數(shù)的分段線性形式：*BRITTLESHEAR,TYPE二RETENTIONFACTOR使用下列選項(xiàng)可以指定剪力傳遞系數(shù)的冪指數(shù)形式：*BRITTLESHEARTYPE=POWERLAWAbaqus/CAE用法：Propertymodule:materialeditor:Mechanical：，BrittleCracking:Suboptions:,BrittleShearType:RetentionFactororPowerLaw校正需要進(jìn)行一個單軸拉伸試驗(yàn)來驗(yàn)證脆性開裂模型的最簡單版本。需要其他更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證后失效行為的準(zhǔn)確性。單軸拉伸試驗(yàn)這種試驗(yàn)往往很難進(jìn)行，因?yàn)樵囼?yàn)需要十分堅(jiān)硬的試

17、驗(yàn)設(shè)備來記錄失效后的反應(yīng)。通常情況下，這種試驗(yàn)是無法進(jìn)行的。在這種情況下，必須對材料的拉伸失效強(qiáng)度及失效后的反應(yīng)做出合理的假設(shè)。通常對于混凝土材料來講，可認(rèn)為失效拉伸強(qiáng)度是受壓強(qiáng)度值的7%10%。而單軸受壓試驗(yàn)是容易進(jìn)行的，所以可以很容易得到混凝土材料的受壓強(qiáng)度值。失效后拉伸行為使用Abaqus/Explicit的脆性開裂模型進(jìn)行模擬的一個重要方面是為其指定拉伸硬化參數(shù)?；炷林袖摻畹拇嬖趯τ诤笫Ю旆磻?yīng)有很大的影響。當(dāng)模擬無鋼筋的素混凝土材料時，則需要使用基于開裂能量概念的拉伸硬化模型。如果無法獲得可靠地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以采用前文所述數(shù)值：通常的取值范圍從40N/M(0.22lb/in)(適用

18、于抗壓強(qiáng)度大致為20MPa,2850lb/in2的一般結(jié)構(gòu)混凝土)至120N/M(0.67lb/in)(適用于抗壓強(qiáng)度大致為40MPa，5700lb/in2的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)混凝土)在模擬鋼筋混凝土材料的力學(xué)行為時則需要使用基于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的拉伸硬化的概念，如前所述，拉伸硬化的程度取決于混凝土中的鋼筋量。當(dāng)材料失效后進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力由失效應(yīng)力線性地下降到零，并且應(yīng)力為零時的應(yīng)變值應(yīng)該是失效應(yīng)變的10倍。對于標(biāo)準(zhǔn)的混凝土而言，失效應(yīng)變一般都在10*數(shù)量級，這也就意味著在拉伸硬化階段當(dāng)應(yīng)力降至為零時的總應(yīng)變值為10-3的數(shù)量級才是合理的，但對于特定情況，這一參數(shù)值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。失效后剪切行為對于后失效

19、剪切行為的校正需要進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，而這種試驗(yàn)往往是很難進(jìn)行的。如果無法獲得類似的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則需要對剪切傳遞系數(shù)P作出合理的假設(shè)，即認(rèn)為當(dāng)應(yīng)變達(dá)到裂縫張開應(yīng)變限值時p=0,而P在0至裂縫張開應(yīng)變限值之間則保持線性關(guān)系。脆性失效準(zhǔn)則可以人為定義材料的脆性失效準(zhǔn)則。當(dāng)某一質(zhì)點(diǎn)處的一條、兩條或三條局部開裂應(yīng)變（位移）分量達(dá)到預(yù)先定義的失效點(diǎn)時點(diǎn)卩認(rèn)為該質(zhì)點(diǎn)失效，并且所有的應(yīng)力分量均變?yōu)榱?。如果一個單元內(nèi)的所有質(zhì)點(diǎn)均失效，則這個單元將從網(wǎng)格中刪除。例如，對于一個一階縮減單元而言，當(dāng)其唯一積分點(diǎn)失效后，則該單元將從網(wǎng)格中刪除；對于殼單元，只有當(dāng)沿其厚度方向上的所有積分點(diǎn)均失效后，該單元才會被刪除。如果以應(yīng)力

20、應(yīng)變的形式定義失效后關(guān)系，則必須根據(jù)失效準(zhǔn)則給出失效應(yīng)變；如果以應(yīng)力位移或者應(yīng)力斷裂能量的形式定義失效關(guān)系，則必須根據(jù)失效準(zhǔn)則給出失效位移。同時，失效應(yīng)變（或失效位移）也可定義為溫度或/和預(yù)定義變量的函數(shù)?？梢匀藶榭刂瀑|(zhì)點(diǎn)處失效裂縫的數(shù)量來決定質(zhì)點(diǎn)是否失效，在默認(rèn)情況下是一條。對于梁單元和桁架單元只有一條裂縫可以失效；對于平面應(yīng)力單元和殼單元則最多不超過兩條；其他單元則最多不可以超過三條。輸入文件方法：*BRITTLEFAILURE,CRACKS=nAbaqus/CAE用法：Propertymodule:materialeditor:Mechanical?BrittleCracking:Sub

21、options：BrittleFailure，選擇FailureCriteria，其中包括Unidirectional,Bidirectional,Tridirectional，分別對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)失效時失效裂縫的數(shù)量（即分別為一條，不超過兩條，不超過三條）。使用失效準(zhǔn)則條件的判斷Abaqus/Explicit中的脆性材料失效準(zhǔn)則是一種粗略的失效方法，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)慎重使用。采用失效準(zhǔn)則的主要動機(jī)是為了幫助解決以下計算問題,如不將這些不能夠繼續(xù)受力的失效單元刪除則會引起單元的過度扭曲并導(dǎo)致數(shù)值計算過早中斷。例如，對于單調(diào)加載的結(jié)構(gòu)，其失效機(jī)制預(yù)計為主要產(chǎn)生一個拉伸的宏觀裂縫（ModeI開裂），此時使用

22、脆性材料的失效準(zhǔn)則來刪除單元是合理的；另一方面，事實(shí)是脆性材料不能繼續(xù)承受拉應(yīng)力并不代表其不能夠承受壓應(yīng)力，因此如果材料拉伸失效后又承受壓應(yīng)力，此時依據(jù)失效準(zhǔn)則將單元刪除則是不合理的。例如剪力墻受到地震激勵引起的循環(huán)荷載作用的情形，在這種情況下，在受拉狀態(tài)下充分發(fā)展的裂縫有能力在荷載反向時承受壓應(yīng)力。因此，能否有效使用脆性材料的失效準(zhǔn)則取決于用戶對結(jié)構(gòu)行為及潛在失效機(jī)制的了解程度。使用脆性材料的失效準(zhǔn)則時，如果用戶對結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制無法做出正確的判斷，則往往會導(dǎo)致分析結(jié)果的不正確。質(zhì)點(diǎn)失效所需失效裂縫數(shù)量的選取當(dāng)定義脆性失效行為時，用戶可以控制質(zhì)點(diǎn)失效前需要出現(xiàn)開裂到失效值的裂縫數(shù)量。對于以I型裂縫為主的裂縫，采用程序默認(rèn)的一條裂縫對于多數(shù)結(jié)構(gòu)是適用的。然而存在一些情況需要用戶指定更多裂縫，這是因?yàn)樾枰鄺l裂縫形成并發(fā)展為最終的破壞機(jī)制。例如，無鋼筋的混凝土深梁，其破壞機(jī)制主要為剪切破壞，在這種情況下為了滿足剪切失效機(jī)制的要求，每個質(zhì)點(diǎn)處需要形成兩條失效裂縫。再一次強(qiáng)調(diào)，失效裂縫數(shù)量的合理選取依賴于用戶對結(jié)構(gòu)和失效行為的了解程度?？紤]鋼筋的脆性失效定義了Rebar的單元中使用脆性失效準(zhǔn)則是可行