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《钢筋混凝土梁的有限元非线性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、钢筋混凝土桥梁的ansys有限元非线性分析摘要：介绍大型有限元软件Ansys中用于混凝土材料的Solid65单元，分析混凝土和钢筋共同作用时候的建模方法以及相互连接的处理，利用Solid65单元对钢筋混凝土简支梁进行非线性分析。通过Solid65单元模拟混凝土材料所的的结果，可以较好的反映钢筋混凝土的非线性力学特征。关键词：非线性；;Ansys；Solid65单元；钢筋混凝土；有限元；1非线性1.1定义桥梁结构的非线性问题可分为两大类,第1类为材料非线性问题,第2类为几何非线性问题。尽管许多桥梁结构分析问题可以用线性分析方法来近似,但是如果桥梁结构存在明显
2、的非线性特征,就需要对其进行非线性分析。在单纯的材料非线性问题中,假定结构位移微小,位移与应变的几何关系是线性的,而应力与应变关系是非线性的。材料非线性特点是随着荷载的增加,构上应力大的点首先达到屈服强度,发生屈服而使结构进入弹塑性状态。这时虽然部分材料已进入塑性状态,但相当大部分仍处于弹性范围,因而结构仍可继续承载,直至塑性部分进一步扩展而发生结构的崩溃。在实际工程设计中,这种允许材料进入塑性的结构分析称为材料非线性分析。极限状态设计所关心的不是荷载作用下结构弹塑性的演变历程,而是结构出现塑性变形直到崩溃时所能承受的最大荷载,然后考虑结构应有足够的安全储
3、备,以此作为设计依据显然较全弹性设计更经济合理。几何非线性指的是结构的平衡状态在其发生一定的位移之后会相应的发生变化,结构的平衡均应建立在其变形后的位置之上,这就是几何非线性理论。也就是说,结构的平衡状态在它发生一定的位移之后会发生变化,而且这种位移一般是大位移,即结构的刚度矩阵是几何变形的函数。1.2结构非线性分析的方法(1)增量法。把总荷载分成m个增量步,对于每级荷载增量,刚度为常量,即把刚度方程分段线性化。增量法求解比较简单,但存在误差累计问题。(2)最小化方法。在结构力学中,求解一个结构的平衡问题通常等同于求结构的总势能Π的驻值问题Π=U(δ)-(
4、δ)T{R}(1)式中,U(δ)为结构的应变能;{δ}T{R}为外荷载所作的功。用式(1)求解的方法之一是直接数值搜索,即数学规划中无约束最小化方法。该法应用于自由度较低的结构获得成功,但往往收敛于局部最小化而不是全局最小,而且效率不够高。(3)迭代法。把全部荷载都作用于结构上,然后进行一系列的迭代计算。由于在每次迭代中,都取刚度的某个近似的常数值,基本方程得不到满足,于是算得的不平衡部分又作为下次迭代的荷载,以此计算出附加的位移增量。过程重复进行,直至基本方程得到精度容许的近似满足。因此对结构作非线性分析时最好的方法是综合各类方法的优点:取增量形式的迭代
5、法,迭代过程中用无约束最小化方法寻求优化方向与步长。ANSYS程序计算非线性的方法是通过计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应。显然,非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示。所以需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。ANSYS程序是通过将载荷分成一系列的载荷增量,逐步递增载荷和平衡迭代来实现其非线性分析功能。分析过程中它迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛。在每次求解前,先估算出残差矢量,这个矢量是对应于单元应力的载荷和所加载荷的差值。程序使用非平衡载荷进行线性求解,且核查收敛性。如果不满足收敛准则,重新估算非平衡载荷,修改刚
6、度矩阵,获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。2.Solid65单元2.1Solid65单元介绍通常钢筋混凝土结构有限元分析的单元分为两种：杆系单元和实体单元。前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重分析单元的应力—应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。对于复杂区域（梁柱节点）或重要的构件等可将杆系结构计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度地真实模拟实际结构
7、构件。Solid65是在Solid45三维4节点等参元的基础上，增加了针对混凝土的材性参数（三维强度准则）和由离散钢筋单元组成的整体式钢筋模型。它可以是六面体单元、五面体单元和四面体单元见图1，可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数，从而考虑6个方向的加强钢筋。图1 Solid65单元2.2材料本构模型如果是钢筋混凝土的线弹性计算，只需设定材料的弹性模量和泊桑比即可。如果是非线性计算，在钢筋混凝土材料的非线性本构模型的选取上，Solid65单元可考虑多种模型1）材料非线性本构模型。Solid65单元可以使用的本构关系有等强硬化模型(
8、multilinearisotropichardening)、随动
