第2卷 第1期 2010年3
月
V o.l 2 N o .1M ar .2010
基于ABAQUS 的混凝土梁受弯
破坏实验非线性分析
王 丽 邓思华
(北京建筑工程学院,北京 100044)
=摘 要>本文采用ABAQU S 有限元分析软件对钢筋混凝土梁进行非线性分析,针对小梁试验中的一根简支梁进行有限元分析,采用混凝土损伤塑性模型,对比了试验分析与使用A B AQU S 分析的计算结果,探讨了结果产生差异的原因,为进一步进行A BAQU S 钢筋混凝土结构有限元分析提供了参考。=关键词>非线性仿真;钢筋混凝土梁;正截面破坏
=中图分类号>TU 375.1;TU 312+.3 =文献标志码>A =文章编号>1674-7461(2010)01-0064-04
=作者简介> 王丽,女,研究生,主要研究方向:结构工程。138********i amw ang li83@yahoo .com .cn
1 前言
随着有限元理论和计算机技术的不断发展,有限元分析软件的发展也日趋成熟,ABAQUS 作为其中一种大型通用有限元分析软件在科研工作和实际工程中的应用也越来越普遍,因为它不仅具备其它有限元分析软件的数值计算快、结果精度高以及分析成本低等优点,还具有更人性化的操作界面和可视化结果,尤其是运用于钢筋混凝土结构非线性分析中能得到更精确的、更贴合实际的结果
[1]
。
2 ABAQUS 钢筋混凝土非线性分析
钢筋混凝土结构非线性来源主要分为三类
[2]
:
材料非线性、几何非线性、边界条件非线性。材料非线性是指钢筋和混凝土两种材料在结构受力分析过程中,不仅要考虑其弹性性能即线性阶段,也要考虑其塑性性能即非线性阶段。在ABAQUS 中是通过分别定义钢筋和混凝土的本构模型来实现其材料非线性的特性,弹性阶段须分别输入两种材料的弹性模量和泊松比;塑性阶段的定义则不同,钢筋只需输入其塑性阶段应力应变关系,而混凝土
塑性有三种模型可以选择[3]
,包括有Concrete Sm eared C rack i n g(弥散裂纹混凝土模型)、Concrete Da m aged Plastic ity (混凝土损伤塑性模型)以及
AB AQUS /Explicit 中的C racking m odel for concrete (混凝土裂缝模型),其中混凝土损伤塑性模型具有
一定的优越性,它可用于单项加载、循环加载以及动态加载等场合,且具有较好的收敛性,因此一般采用混凝土损伤塑性模型进行混凝土塑性定义。边界条件在分析过程中发生变化就会产生边界非线性问题,包括构件之间的接触也属于边界条件的定义范畴。其中钢筋与混凝土的摩擦接触在AB AQUS 中是通过Embedded 技术将钢筋单元埋入
混凝土单元中来实现的[4]
。
几何非线性发生在位移的大小影响到结构响应的情况下,只需要在STEP 选项中加入NLGEOM
参数即可,但一般静力非线性分析不需要选NL -GEOM 参数,以免造成冗繁的计算量。
3 钢筋混凝土简支梁分析实例
3.1 模型建立
该简支梁长1500mm,截面尺寸为180mm @100mm,混凝土强度等级为C25,纵筋和箍筋均采用
HPB235钢筋,具体情况见图1。建立AB AQUS 模型混凝土采用C3D8R 单元,钢筋采用T3D2单元,将钢筋埋入(Em bedded)混凝土单元中来模拟钢筋混凝土之间的粘结关系。为防止加载过程中梁上加载面及支座处出现应力集中,因此建模时在梁加载
基于ABAQU S 的混凝土梁受弯破坏实验非线性分析
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处和支座处设置钢垫片,以增加接触面积和刚度,模型图如图2
所示。
图1
简支梁配筋图
图2 简支梁模型图
3.2 钢筋混凝土相关参数计算
钢筋本构模型采用双直线模型,上升段的斜率为钢筋的弹性模量即E s=210GPa ,屈服应力fy =210M Pa ,对应屈服应变为0.001,水平段钢筋应力不变,钢筋破坏时应变为0.006。混凝土弹性模量E s =28GPa ,混凝土单向受压本构模型采用美国E .H ognestad [5]
建议的模型计算公式:
R =
f c 2E E 0-E E 0
2
, E [E 0f c 1-0.15E -E 0
E u -E 0
, E 0[E [E u
其中,混凝土单轴抗压强度f c =11.9MPa ,屈服应变E 0=0.002,极限应变E u =0.0038
。混凝土单向受拉本构模型采用5钢筋混凝土结构设计规范6
[6]中计算公式:
R =
f
t 1.2E E t -0.2E E t
6
, E [E t
f t
E E t
a t
E E t
-11.7
+E E t
, E \E t
其中,混凝土单轴抗拉强度f t =1.27M Pa ,混凝
土峰值拉应变E t =73.64@10-6
。3.3 分析结果
钢筋混凝土简支梁模型垫片上施加均布荷载3.2M Pa(计算得P=16KN ),分析得M ises 应力如
图2所示。M ises 应力最大值41.16M Pa 出现在支
座垫板上,施加荷载垫板周围也存在较大应力,应力值在3M Pa ~14M Pa 之间,并从加载垫板处向支座方向由大到小变化,从而两支座之间形成应力供体,值由小到大交替变化,形成传力途径,这与传统理论中有腹筋梁拱形桁架受力模型相类似。由于梁的肩部受力小,
因此M ises 应力值较小,在受拉筋作用下梁的底部M ises 应力值也较小。
在加载垫片上施加均布荷载3.2M Pa(计算得P=16KN )得简支梁跨中节点的位移为2.210mm (见图4),其时间变化图如图5所示。可以看出,随分析计算时间的增加,跨中挠度增长速度逐渐加快,这是由于钢筋混凝土材料在弹性阶段强度大、刚度强,因此梁刚承受荷载时跨中挠度变化量小;而进入塑性阶段以后,钢筋混凝土材料性能下降,梁受力后挠度增加速度随之加快,从而形成跨中的挠度加速变化的曲线。由此看出此次模拟分析具有可靠的理论依据,是非常可信的。
图3 简支梁应力图
66 走进工
程
图4
简支梁位移图
图5 跨中位移-时间图
4 小梁试验
经设计计算确定一个钢筋混凝土适筋梁的正截面尺寸、采用材料参数、配筋量等数据,实施两端简支、两点加载,试验模型如图1所示。试验时按计算承载力分级加载,两点加载值P 相同,控制加载速度,使用百分表和位移计量测钢筋混凝土梁的挠度,并记录对应荷载,同时观察梁的裂缝及破坏情况,加载至钢筋混凝土梁完全破坏为止。整理试验数据后绘制简支梁荷载-挠度曲线如图6所示。
5 结果比较
为方便进行数值模拟和试验结果的分析比较,改变对简支梁的施加荷载,使用ABAQUS 软件重新计算分析,得出跨中节点的挠度值数据,将其与试
验结果比较绘制出荷载-挠度曲线如图7
所示。
图6 荷载-
挠度曲线
图7 简支梁跨中挠度值比较图
由上图看出,AB AQUS 有限元分析的跨中挠度随荷载变化的趋势与试验结果相同,在荷载值P 达到8KN 前,构件处于弹性阶段,其刚度、强度大,荷载值与挠度值基本成线性变化;之后构件进入塑性阶段,挠度增加值加快,当达到极限承载力24KN 时,ABAQUS 有限元分析计算得跨中挠度为10.521mm,试验结果为12.795mm;最后梁屈服,
基于ABAQU S的混凝土梁受弯破坏实验非线性分析67
挠度值增加进一步加快。可以看出AB AQUS有限元分析能够得到与实际试验基本相符的结果,但两种方法计算的数值之间存在差异,经分析,原因可能有以下几点:
(1)模拟中有限元单元假设具有均匀、各向同性、单元间接触形式统一的特点[7],而实际混凝土构件材料构成复杂,有水泥等细小颗粒,也有砾石、细沙等构成成分,其相互之间的接触摩擦作用大不相同,另外各种材料性能各不相同,取用统一综合标准进行定义本身与实际就存在差异。
(2)有限元分析中混凝土与钢筋之间的粘结是采用Embedded技术处理的,该方法有效简化了建模[8],但无法实现随荷载的增加混凝土与钢筋的摩擦时刻变化的特性,尤其是钢筋滑移的模拟难度很大等,容易导致结果失真。
(3)其他一些因素也会影响分析结果,比如:有限元分析的收敛性、模拟中参数取值的合理性、有限元单元的划分形式和数量、试验中试件浇筑质量及加载情况等。
总之,ABAQU S有限元分析模拟试验具有较高的相似度,虽有一些差异,但用AB AQUS有限元方法针对小梁试验进行非线性分析是切实可行的。
6结束语
本文通过使用AB AQU S有限元软件模拟小梁试验,采用了混凝土损伤塑性模型以及钢筋与混凝土的Em bedded粘结技术,介绍了采用的钢筋与混凝土材料的本构模型,得到了与试验结果相近的分析结果,并探讨了结果产生差异的原因,证明了用AB AQUS有限元分析钢筋混凝土结构非线性问题是十分有效的,但如何能得到更精确的结果,仍需作更深入的研究。本文得到了北京市教委面上项目的资助。
参考文献
[1]刘劲松,刘红军,ABAQU S钢筋混凝土有限元分析,装
备制造技术,2009.6
[2]吕西林,金国芳,吴晓涵,钢筋混凝土结构非线性理论
与应用[M],同济大学出版,1997.
[3]庄茁,张帆,岑松,ABAQU S非线性有限元分析与实例,
科学出版社,2005
[4]ABAQU SA na l y si s U ser.sM anua,l A B AQU S Inc,2006
[5]东南大学等,混凝土结构设计原理,中国建筑工业出版
社,2008.6
[6]5混凝土结构设计规范6(GB50010-2002)
[7]江见鲸,陆新征,叶列平,混凝土结构有限元分析,清华
大学出版社,2005
[8]张国丽,苏军,基于ABAQUS的钢筋混凝土非线性分
析,科学技术与工程,2008.10
N onli near Analysis of R ei nforced Concrete Bea m B endi ng Da m age
E xperi m entation Based On ABAQUS
W ang L,i D eng Si hua
(B eijing Universit y of C ivil Engineering and Architecture,B eijing100044,China)
A bstract:Based on the the finite ele m en t analysis so ft w are A
B AQUS,the non li n ear ana l y sis of a rei n forced concrete bea m w as carried ou.t In th is si m p le bea m ana l y sis,t h e concrete da m age p l a sticity m odel in ABAQUS has been i n troduced thoroughly.F i n ally,the results of the experi m enta ti o n and the ABAQUS analysisw ere co m pared i n a d iagra m,accordi n gly reasons o f the resu lt d ifference bet w een the t w o m ethods w ere discussed abou,t w hich can be a usefu l reference for the furt h er study of the finite e le m ent analysis on ABAQUS.
K eyW ords:AB AQUS;N onlinear Analysis;Re i n f o rced Concrete B ea m Experi m entation
基于ABAQUS的有限元分析和应用 第一章绪论 1.有限元分析包括下列步骤： 2.为了将试验数据转换为输入文件，分析者必须清楚在程序中所应用的和由实验人员提供的材料数据的应力和应变的度量。 3.ABAQUS建模需注意以下内容： 4.对于许多包含过程仿真的大变形问题和破坏分析，选择合适的网格描述是非常重要的，需要认识网格畸变的影响，在选择网格时必须牢牢记住不同类型网格描述的优点。 第二章ABAQUS基础 1.一个分析模型至少要包含如下的信息：离散化的几何形体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。 ①离散化的几何形体：模型中所有的单元和节点的集合称为网格。 ②载荷和边界条件： 2.功能模块： （1）Assembly（装配）：一个ABAQUS模型只能包含一个装配件。 （2）Interaction（相互作用）：相互作用与分析步有关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。 （3）Load（载荷）：载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户指定载荷和边界条件是在哪些分析步中起作用。 （4）Job（作业）：多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。 3.量纲系统 ABAQUS没有固定的量纲系统，所有的输入数据必须指定一致性的量纲系统，常用的一致性量纲系统如下：
4.建模要点 （1）创建部件：设定新部件的大致尺寸的原则必须是与最终模型的最大尺寸同一量级。（2）用户应当总是以一定的时间间隔保存模型数据（例如，在每次切换功能模块时）。（3）定义装配： 在模型视区左下角的三向坐标系标出了观察模型的方位。在视区中的第2个三向坐标系标出了坐标原点和整体坐标系的方向（X，Y和Z轴）。 （4）设置分析过程： （5）在模型上施加边界条件和荷载： 用户必须指定载荷和边界条件是在哪个或哪些分析步中起作用。 所有指定在初始步中的力学边界条件必须赋值为零，该条件是在ABAQUS/CAE中自动强加的。 在许多情况下，需要的约束方向并不一定与整体坐标方向对齐，此时用户可定义一个局部坐标系以施加边界条件。 在ABAQUS中，术语载荷通常代表从初始状态开始引起结构响应发生变化的各种因素，包括：集中力、压力、非零边界条件、体力、温度（与材料热膨胀同时定义）。
一、有限单元法的基本原理 有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。 有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。由位移求出应变, 由应变求出应力 二、ABAQUS有限元分析过程 有限元分析过程可以分为以下几个阶段 1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。
2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。 由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成 3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理， 并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。 下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。 “Part（部件） 用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。 Property（特性） 截面（Section）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。 Assembly（装配件） 所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本（instance），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。 一个ABAQUS模型只包含一个装配件。
Abaqus分析报告 （齿轮轴） 名称：Abaqus齿轮轴 姓名： 班级： 学号： 指导教师：
一、简介 所分析齿轮轴来自一种齿轮泵，通过用abaqus软件对齿轮轴进行有限元分析和优化。齿轮轴装配结构图如图1，分析图1中较长的齿轮轴。 图1.齿轮轴装配结构图 二、模型建立与分析 通过part、property、Assembly、step、Load、Mesh、Job等步骤建立齿轮轴模型，并对其进行分析。 1.part 针对该齿轮轴，拟定使用可变型的3D实体单元，挤压成型方式。 2.材料属性 材料为钢材，弹性模量210Gpa，泊松比0.3。
3.截面属性 截面类型定义为solid，homogeneous。 4.组装 组装时选择dependent方式。 5.建立分析步 本例用通用分析中的静态通用分析（Static，General）。 6.施加边界条件与载荷 对于齿轮轴，因为采用静力学分析，考虑到前端盖、轴套约束，而且根据理论，对受力部分和轴径突变的部分进行重点分析。 边界条件：分别在三个轴径突变处采用固定约束，如图2。 载荷：在Abaqus中约束类型为pressure，载荷类型为均布载荷,分别施加到齿轮接触面和键槽面，根据实际平衡情况，两力所产生的绕轴线的力矩方向相反，大小按比例分配。 均布载荷比计算： 矩形键槽数据： 长度：8mm、宽度：5mm、高度：3mm、键槽所在轴半径：7mm 键槽压力面积：S1 = 8x3=24mm2 平均受力半径：R1=6.5mm 齿轮数据：= 齿轮分度圆半径：R2 =14.7mm、压力角：20°、 单个齿轮受力面积：S2 ≈72mm2 通过理论计算分析，S1xR1xP1=S2xR2xP2，其中，P1为键槽均布载荷
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算 在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。 1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。 2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。 3) Property功能模块:定义材料和截面属性。 4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分 技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。 5) Assembly功能模块:创建非独立实体。 6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。 7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。 8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。 9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。 10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。 结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。 1.问题描述 所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
基于ABAQUS简支梁受力和弯矩的相关分析 （梁单元和实体单元） 对于简支梁，基于 ABAQUS2016，首先用梁单元分析了梁受力作用下的应力，变形，剪力和力矩；对同一模型，并用实体单元进行了相应的分析。另外， 还分析了梁结构受力和弯矩作用下的剪力及力矩分析。 对于CAE仿真分析具体细节操作并没有给出详细的操作，不过在后面上 传了对应的cae，odb，inp文件。不过要注意的是本文采用的是ABAQUS2016 进行计算，低版本可能打不开，可以自己提交inp文件自己计算即可。可以到 小木虫搜索：“基于ABAQUS简支梁受力和弯矩的相关分析”进行相应文件 下载。 对于一简支梁，其结构简图如下所示，梁的一段受固支，一段受简支，在 梁的两端受集中载荷，梁的大直径D=180mm，小直径d=150mm，a=200mm， b=300mm，l=1600mm，F=300000N。现通过梁单元和实体单元分析简支梁的受 力情况，变形情况，以及分析其剪力和弯矩等。材料采用45#钢，弹性模量 E=2.1e6MPa，泊松比v=0.28。 图1 简支梁结构简图 1.梁单元分析 ABAQUS2016中对应的文件为beam-shaft.cae ，beam-shaft.odb，beam-shaft.inp。 在建立梁part的时候，采用三维线性实体，按照图1所示尺寸建立，然后 在台阶及支撑梁处进行分割，结果如图2所示。
图2 建立part并分割 接下来为梁结构分配材料，创建材料，定义弹性模量和泊松比，创建梁截 面形状，如图3，非别定义两个圆，圆的直接分别为180和150mm。然后创建 两个截面，截面选择梁截面，再选择图2中的所有梁，定义梁的方向矢量为（0，0，-1）（点击图3中的n2，n1，t那个图标即可创建梁的方向矢量），最后把 创建好的梁赋给梁结构。 图3 创建梁截面形状 接下来装配实体，再创建分析步，在创建分析步的时候，点击主菜单栏的Output，编辑Edit Field Output Request，在SF前面打钩，这样就可以在结果后 处理中输出截面剪力和力矩，如图4所示。在Load加载中，在固支处剪力边界 条件，约束x，y，z，及绕x和y轴的转动，如图5所示，同理，在固支另一处约束y，z，及绕x和y轴的转动。在梁的两端添加集中力，集中力的大小为300000N。最后对实体部件进行分网，采用B32梁单元，网格尺寸为10。完成
线性静力学分析实例——以悬臂梁为例 线性静力学问题是简单且常见的有限元分析类型，不涉及任何非线性（材料非线性、几何非线性、接触等），也不考虑惯性及时间相关的材料属性。在ABAQUS 中，该类问题通常采用静态通用（Static，General）分析步或静态线性摄动（Static，Linear perturbation）分析步进行分析。 线性静力学问题很容易求解，往往用户更关系的是计算效率和求解效率，希望在获得较高精度的前提下尽量缩短计算时间，特别是大型模型。这主要取决于网格的划分，包括种子的设置、网格控制和单元类型的选取。在一般的分析中，应尽量选用精度和效率都较高的二次四边形/六面体单元，在主要的分析部位设置较密的种子；若主要分析部位的网格没有大的扭曲，使用非协调单元（如CPS4I、C3D8I）的性价比很高。对于复杂模型，可以采用分割模型的方法划分二次四边形/六面体单元；有时分割过程过于繁琐，用户可以采用精度较高的二次三角形/四面体单元进行网格划分。 悬臂梁的线性静力学分析 1.1 问题的描述 一悬臂梁左端受固定约束，右端自由，结构尺寸如图1-1所示，求梁受载后的Mises应力、位移分布。 ν 材料性质：弹性模量3 = E=，泊松比3.0 2e 均布载荷：F=103N 图1-1 悬臂梁受均布载荷图 1.2 启动ABAQUS 启动ABAQUS有两种方法，用户可以任选一种。 （1）在Windows操作系统中单击“开始”--“程序”--ABAQUS 6.10 --
ABAQUS/CAE。 （2）在操作系统的DOS窗口中输入命令：abaqus cae。 启动ABAQUS/CAE后，在出现的Start Section（开始任务）对话框中选择Create Model Database。 1.3 创建部件 在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：Module：Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。可以参照下面步骤创建悬臂梁的几何模型。 （1）创建部件。对于如图1-1所示的悬臂梁模型，可以先画出梁结构的二维截面（矩形），再通过拉伸得到。 单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图1-2所示的Create Part对话框。 图1-2 Create Part对话框 在Name（部件名称）后面输入Beam，Modeling Space（模型所在空间）设
Abaqus梁的开裂模拟计算报告 1.问题描述 利用ABAQUS有限元软件分析如图1.1所示的钢筋混凝土梁的裂缝开展。参考文献Brena et al.（2003）得到梁的基本数据： 图1.1 Brena et al.（2003）中梁C尺寸 几何尺寸：跨度3000mm，截面宽203mm，高406mm的钢筋混凝土梁 由文献Chen et al. 2011得材料特性： 1.混凝土：抗压强度f c’=35.1MPa，抗拉强度f t= 2.721MPa，泊松比ν=0.2，弹性模量 E c=28020MPa； 2.钢筋：弹性模量为E c=200GPa，屈服强度f ys=f yc=440MPa，f yv=596MPa 3.混凝土垫块：弹性模量为E c=28020MPa，泊松比ν=0.2 2.建模过程 1)Part 打开ABAQUS使用功能模块，弹出窗口Create Part，参数为：Name：beam；Modeling Space：2D；Type：Deformable；Base Feature─Shell；Approximate size：2000。点击Continue 进入Sketch二维绘图区。由于该梁关于Y轴对称，建模的时候取沿X轴的一半作为模拟对象。 使用功能模块，分别键入独立点(0,0),(1600,0),(1600,406),(406,0),(0,0)并按下下方提 示区的Done，完成草图。 图2.1 beam 部件二维几何模型
相同的方法建立混凝土垫块： 图2.2 plate 部件二维几何模型 所选用的点有(0,0),(40,0),(40,10),(0,10) 受压区钢筋： 在选择钢筋的base feature的时候选择wire，即线模型。 图2.3 compression bar 部件二维几何模型 选取的点(0,0),(1575,0) 受拉区钢筋： 图2.4 tension bar 部件二维几何模型 选取的点(0,0),(1575,0) 箍筋： 图2.5 stirrup 部件二维几何模型 选取的点为(0,0),(0,330) 另外，此文里面为了作对比，部分的模型输入尺寸的时候为m，下面无特别说明尺寸都为mm。
ABAQUS有限元接触分析的基本概念2009-11-24 00:06:28 作者：jiangnanxue 来源：智造网—助力中国制造业创新—https://www.doczj.com/doc/0e17435777.html, CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1 点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis - cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surface discretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slave surface)上的每个节点与该节点在主面(master surface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
基于ABAQUS 简支梁受力和弯矩的相关分析 （梁单元和实体单元） 对于简支梁，基于ABAQUS2016，首先用梁单元分析了梁受力作用下的应 力，变形，剪力和力矩；对同一模型，并用实体单元进行了相应的分析。另 外，还分析了梁结构受力和弯矩作用下的剪力及力矩分析。 对于CAE 仿真分析具体细节操作并没有给出详细的操作，不过在后面上 传了对应的cae, odb , inp 文件。不过要注意的是本文采用的是 ABAQUS2016 进行计算，低版本可能打不开，可以自己提交 inp 文件自己计算即可。可以到 小木虫搜索：“基于ABAQUS 简支梁受力和弯矩的相关分析”进行相应文件 下载。 对于一简支梁，其结构简图如下所示，梁的一段受固支，一段受简支，在 梁的两端受集中载荷，梁的大直径 D=180mm ，小直径d=150mm ，a=200mm ， b=300mm , l=1600mm , F=300000N 。现通过梁单元和实体单元分析简支梁的受 力情况，变形情况，以及分析其剪力和弯矩等。材料采用 45#钢，弹性模量 E=2.1e6MPa,泊松比 v=0.28。 1.梁单元分析 ABAQUS2016 中对应的文件为 beam-shaft.cae , beam-shaft.odb , beam- shaft.inp 。 在建立梁part 的时候，采用三维线性实体，按照图1所示尺寸建立，然后 在台阶及支撑梁处进行分割，结果如图 2所示 l b b a a A A C B A 图1简支梁结构简图
图2建立part并分割 接下来为梁结构分配材料，创建材料，定义弹性模量和泊松比，创建梁截面形状，如图3,非别定义两个圆，圆的直接分别为180和150mm。然后创建两个截面，截面选择梁截面，再选择图2中的所有梁，定义梁的方向矢量为 （0，0，-1）（点击图3中的n2, n 1，t那个图标即可创建梁的方向矢量），最后把创建好的梁赋给梁结构。 图3创建梁截面形状 接下来装配实体，再创建分析步，在创建分析步的时候，点击主菜单栏的Output，编辑Edit Field Output Request,在SF前面打钩，这样就可以在结果后处理中输出截面剪力和力矩，如图4所示。在Load加载中，在固支处剪力边界条件，约束x，y，z，及绕x和y轴的转动，如图5所示，同理，在固支另一处约束y，z，及绕x和y轴的转动。在梁的两端添加集中力，集中力的大小为300000N。最后对实体部件进行分网，采用B32梁单元，网格尺寸为10。完成
Abaqus有限元分析中的沙漏效应[转] 2011-09-21 17:34:27| 分类：有限元 | 标签： |字号大中小订阅 1. 沙漏的定义 沙漏hourglassing一般出现在采用缩减积分单元的情况下： 比如一阶四边形缩减积分单元，该单元有四个节点“o”，但只有一个积 分点“*”。而且该积分点位于单元中心位置，此时如果单元受弯或者受剪，则必然会发生变形，如下图a所示。 关于沙漏问题，建议看看abaqus的帮助文档，感觉讲的非常好，由浅入深，把深奥的东西讲的很容易理解。 沙漏的产生是一种数值问题，单元自身存在的一种数值问题，举个例子，对于单积分点线性单元，单元受力变形没有产生应变能--也叫0能量模式，在 这种情况下，单元没有刚度，所以不能抵抗变形，不合理，所以必须避免这种情况的出现，需要加以控制，既然没有刚度，就要施加虚拟的刚度以限制沙漏 模式的扩展---人为加的沙漏刚度就是这么来的。 关于沙漏现象的判别，也就是出现0能模式的方法最简单的是察看单元变 形情况，就像刚才所说的单点积分单元，如果单元变成交替出现的梯形形状， 如果多个这样的单元叠加起来，是不是象我们windows中的沙漏图标呢？ ABAQUS中沙漏的控制： *SECTION CONTROLS：指定截面控制 警告：对于沙漏控制，使用大于默认值会产生额外的刚度响应，甚至当值 太大时有时导致不稳定。默认沙漏控制参数下出现沙漏问题表明网格太粗糙， 因此，更好的解决办法是细化网格而不是施加更大的沙漏控制。 该选项用来为减缩积分单元选择非默认的沙漏控制方法，和standard中的修正的四面体或三角形单元或缩放沙漏控制的默认系数；在explicit中，也 为8节点块体单元选择非默认的运动方程：为实体和壳选择二阶方程、为实体 单元激活扭曲控制、缩放线性和二次体积粘度、设置当单元破损时是否删除他们、或为上述完全破损的单元指定一标量退化参数。等 必需参数： NAME：名字 可选参数： DISTORTION CONTROL：只用于explicit分析。=YES激活约束防止负体积 单元出现或其他可压缩材料的过度变形，这对超弹材料是默认的。DISTORTION
Abaqus梁结构经典计算 一榀轻钢结构库房框架，结构钢方管构件，材质E=210GPa，μ=， ρ=7850kg/m3（在不计重力的静力学分 析中可以不要）。F=1000N，此题要计入重力。计算水平梁中点下降位移。 文件与路径 顶部下拉菜单File, Save As ExpAbq02。 一部件 创建部件，命名为Prat-1。 3D，可变形模型，线，图形大约范围20(m)。 选用折线绘出整个图示屋架。 退出Done。 二性质 1 创建截面几何形状：Module，Property，Create Profile， 将截面(1)命名为Profile-1，选Box型截面，按图输入数据，关闭。直至完成截面(3)。 2 定义各段梁的方向： 选中所有立杆，输入截面主惯性轴1方向单位矢量(1,0,0)，选中横梁和斜杆，输入截面主轴1方向单位矢量(0,1,0)，关闭。还有好办法，请大家自己捉摸。
3 定义截面力学性质： 将截面(1) Profile-1命名为Section-1，梁，梁，截面几何形状选 Profile-1，输入E=210GPa，G=，ν=，ρ=7850，关闭。直至完成截面(3) Section-3。 4 将截面的几何、力学性质附加到部件上： 选中左右立柱和横梁，将各Section-1~3信息注入Part-1的各个杆件上，要对号入座。 5 保存模型： 将本题的CAE模型保存为。 三组装 创建计算实体，以Prat-1为原形，用Independent方式或Dependent生成实体。 四分析步 创建分析步，命名为Step-1，静态Static，通用General。 注释：无，时间：不变，非线性开关：关。 五载荷 1 施加位移边界条件： 命名为BC-1，在分析步Step-1中，性质：力学，针对位移和转角。 选中立柱两脚，约束全部自由度。 2 创建载荷： 命名为Load-1，在分析步Step-1中，性质：力学，选择集中力。 选中顶点，施加Fy=F2=-1000(N)。 六网格 对部件Prat-1进行。 1 撒种子： 针对部件，全局种子大约间距。 2 划网格： 针对部件，OK。 3 保存你的模型： 将本题的CAE模型保存为。
1.梁C 的主要参数： 其中：梁长3000mm ，高为406mm ，上下部保护层厚度为38mm ，纵筋端部保护层厚度为25mm 抗压强度：35.1MPa 抗拉强度：2.721MPa 受拉钢筋为2Y16，受压钢筋为2Y9.5，屈服强度均为440MPa 箍筋：Y7@102，屈服强度为596MPa 2.混凝土及钢筋的本构关系 1、运用陈光明老师的论文（Chen et al. 2011）来确定混凝土的本构关系： 受压强度： 其中C a E ==28020，c f ρσ'=，0.002ρε= 2、受压强度与开裂位移的相互关系：
其中123.0, 6.93c c == 3、损伤因子： 其中c h = e=10（选取网格为10mm ） 4、钢筋取理想弹塑性 5、名义应力应变和真实应力及对数应变的转换： ln (1)ln(1)true nom nom Pl true nom E σσεσε ε=+=+- 6、混凝土最终输入的本构关系如下： compressive behavior tensile behavior tension damage yield stress inelastic strain yield stress displacement parameter displacement 21.50274036 2.721 25.56359281 2.72247E-05 2.683556882 0.0003129 0.18766492 0.0003129 28.88477336 8.85105E-05 2.646628319 0.0006258 0.31902609 0.0006258 31.43501884 0.000177278 2.610210508 0.0009387 0.41606933 0.0009387 33.24951537 0.000292271 2.574299562 0.0012516 0.49065237 0.0012516 34.40787673 0.000430648 2.538891515 0.0015645 0.54973463 0.0015645 35.01203181 0.000588772 2.503982327 0.0018774 0.5976698 0.0018774 35.16872106 0.000762833 2.46956789 0.0021903 0.63732097 0.0021903 34.97805548 0.000949259 2.435644029 0.0025032 0.67064827 0.0025032 34.52749204 0.001144928 2.402206512 0.0028161 0.69903885 0.0028161 33.88973649 0.001347245 2.369251048 0.003129 0.72350194 0.003129 33.17350898 0.001541185 2.336773294 0.0034419 0.74478941 0.0034419 32.38173508 0.001737792 2.30476886 0.0037548 0.76347284 0.0037548 31.54367693 30.68161799 0.001936023 0.002135082 2.27323331 2.242162167 0.0040677 0.0043806 0.77999451 0.79470205 0.0040677 0.0043806
钢筋混凝土梁尺寸下图1所示，该梁为对称结构，两端简支，承受对称的位移荷载，两位移荷载间距为1000mm，方向向下，大小为10mm。简支梁上部配有两根直径为10mm的架立钢筋，下部配有两根直径为18mm的受力纵筋，直径为10mm的箍筋满布整个简支梁。 混凝土的材料参数如下：C45,f ck=26.9MPa,E c=3.35×104MPa;C55,f ck=35.5MPa,E c=3.55×104MPa; 架立钢筋和箍筋的材料参数如下：f yk=235MPa,f uk=315MPa,E s=200GPa;纵筋的材料参数如下：f yk=275MPa,f uk=345MPa,E s=200GPa 图1 采用ABAQUS软件对上图1中的钢筋混凝土梁进行非线性分析，要求采用abaqus standard求解器 要求出具分析报告，报告包含以下几个章节：模型说明（3分）、单元类型及尺寸（2分）、材料模型（3分）、相互作用关系说明（2分）、边界条件（2分）等有限元分析要素。 结果包括： 1、应力云图，针对钢筋等提供Mises第一主应力。（7分） 2、应变云图，混凝土提供LE应变。（7分）
3、荷载—跨中挠度曲线。（7分） 4、跨中主筋荷载—应变曲线。（7分） 注：各尺寸大小如下表1所示 提示：集中位移荷载可模拟加载装置（例如加载板宽100mm）以解决分析收敛问题，加载板宽度需在报告中进行说明。 报告提交日期：2017年11月13日。 表1 学生学号与分析参数对应表
钢筋混凝土梁abaqus 分析报告 学院： 姓名： 学号： 指导老师： 年月日
钢筋混凝土的分析参数分析参数如下：b=200mm,h=300mm,L=3200mm,箍筋间距为100mm，混凝土采用C45标号。 第一章数值模型 模型说明 混凝土梁尺寸为200mm*300mm*3200mm，模型如图所示： 箍筋尺寸为140mm*240mm，断面面积为78.5398mm2，采用三维线模型，如图所示：
Abaqus分析实例（梁单元计算简支梁的挠度）精讲 对于梁的分析可以使用梁单元、壳单元或是固体单元。Abaqus的梁单元需要设定线的方向，用选中所需要的线后，输入该线梁截面的主轴1方向单位矢量(x,y,z)，截面的主轴方向在截面Profile设定中有规定。 注意： 因为ABAQUS软件没有UNDO功能，在建模过程中，应不时地将本题的CAE模型（阶段结果）保存，以免丢失已完成的工作。 简支梁，三点弯曲，工字钢构件，结构钢材质，E=210GPa，μ=0.28，ρ=7850kg/m3（在不计重力的静力学分析中可以不要）。F=10k N，不计重力。计算中点挠度，两端转角。理论解：I=2.239×10-5m4，w中=2.769×10-3m，θ边=2.077×10-3。 文件与路径： 顶部下拉菜单File, Save As ExpAbq00。 一部件 1 创建部件：Module，Part，Create Part， 命名为Prat-1；3D，可变形模型，线，图形大约范围10(程序默认长度单位为m)。 2 绘模型图：选用折线，从(0,0)→(2,0)→(4,0)绘出梁的轴线。 3 退出：Done。 二性质 1 创建截面几何形状：Module，Property，Create Profile， 命名为Profile-1，选I型截面，按图输入数据，l=0.1，h=0.2，b l=0.1，b2=0.1，t l=0.01，t2=0.01，t3=0.01，关闭。 2 定义梁方向：Module，Property，Assign Beam Orientation，
选中两段线段，输入主轴1方向单位矢量(0,0,1)或(0,0,-1)，关闭。 3 定义截面力学性质：Module，Property，Create Section， 命名为Section-1，梁，梁，截面几何形状选Profile-1，输入E=210e9（程序默认单位为N/m2，GPa=109N/m2）， G=82.03e9，ν=0.28，关闭。 4 将截面的几何、力学性质附加到部件上：Module，Property，Assign Section， 选中两段线段，将Section-1信息注入Part-1。 三组装 创建计算实体：Module，Assembly，顶部下拉菜单Instance，Create， Create Instance，以Prat-1为原形，用Independent方式生成实体。 四分析步 创建分析步：Module，Step， Create Step，命名为Step-1，静态Static，通用General。注释：无，时间：不变，非线性 开关：关。 五载荷 1 施加位移边界条件：Module，Load，Create Boundary Condition， 命名为BC-1，在分析步Step-1中，性质：力学，针对位移和转角，Continue。选中梁左端，Done，约束u1、u2、u3、u R1、u R2各自由度。 命名为BC-2，在分析步Step-1中，性质：力学，针对位移和转角，Continue。选中梁右端，Done，约束u2、u3、u R1、u R2各自由度。 2 创建载荷：Module，Load，Create Load， 命名为Load-1，在分析步Step-1中，性质：力学，选择集中力Concentrated Force，Continue。选中梁中点，Done，施加F y(CF2)=-10000（程序默认单位为N）。 六网格 对实体Instance进行。 1 撒种子：Module，Mesh，顶部下拉菜单Seed，Instance， Global Seeds，Approximate g lobal size 0.2全局种子大约间距0.2。 2 划网格：Module，Mesh，顶部下拉菜单Mesh，Instance，yes。 七建立项目 1 建立项目：Module，Job，Create Job，Instance，
问题一: 工字梁弯曲 1.1 问题描述: 在<<材料力学实验>>中，弯曲实验測定了工字梁弯曲应变大小及其分布，以验证弯曲正应力公式。在这里，採用ABAQUS/CAE建立试验件的有限元模型，ABAQUS/Standard模块进行分析求解，得到应力、应变分布，对比其与理论公式计算值及实验測量值的差別。 弯曲实验的相关数据： 材料：铝合金E=70GPa 泊松比0.3 实验装置结构简图如图所示： 结构尺寸测量值：H=50（+/-0.5mm） h=46(+/-0.5mm) B=40（+/-0.5mm） b=2(+/-0.02mm) a=300(+/-1mm) F1=30N Fmax=300N N ? F100 = 1.2 ABAQUS有限元建模及分析 一对象: 工字型截面铝合金梁 梁的结构简图如图1所示，結构尺寸、载荷、約束根据1.1设定，L取1600mm，两端各伸出100mm。 二用ABAQUS/CAE建立实验件的有限元模型,效果图如下： 边界条件简化： 左侧固定铰支座简化为下表面左参考点处的约束U1=U2=U3=0
右侧活动铰支座简化为下表面右参考点处的约束U1=U2=UR3=0 几何模型
有限元模型 三ABAQUS有限元分析結果 ①应力云图（Z方向正应力分量）：施加载荷前 F=300N
②应变（Z方向分量）： 中间竖直平面的厚度方向应变分布图： F=100N F=200N
F=300N 由上图可以看出应变沿着厚度方向呈线性比例趋势变化，与实验测得的应变值变化趋势相同。中性轴处应变均接近零值，应变与距离中性轴位移基本为正比关系。 1.3分析结果: 中间竖直截面上下边缘轴向应力数值对比：*10^-6 MPa 距中性轴距ABAQUS模拟实验测量值平均理论值 1/2H -96.182*70000 -97*70000 -6.9165=-70000*98.807 -1/2H 95.789*70000 92*70000 6.9165
目录 第一章ABAQUS简介 (1) 第二章ABAQUS基本使用方法 (1) 第三章线性静力分析实例 (6) 第四章 ABAQUS的主要文件类型 (8) 第五章接触分析实例 (9) 第六章弹塑性分析实例 (13) 第七章热应力分析实例 (15) 第八章多体分析实例 (16) 第九章动态分析实例 (17) 第十章复杂工程分析综合实例 (20)
第一章ABAQUS简介 [1] (pp7) 在[开始] →[程序] →[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS COMMAND]，DOS提示符下输入命令 Abaqus fetch job =
1.分析过程 1.1.理论分析 1.2.简化过程 如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。 A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉； B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0； C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节； 1.3.Abaqus中建模 查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如错误!未找到引用源。所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如错误!未找到引用源。所示。
图 1-1 图 1-2 建立材料属性并将其赋予模型。在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为，如错误!未找到引用源。所示。 建立截面。点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的
各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如错误!未找到引用源。所示。 将截面属性赋予模型。选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。如错误!未找到引用源。所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。 图 1-3 图 1-4
图 1-5 然后，我们对建立的3D模型进行装配，在Abaqus中的Assembly模块中，我们同时调入两个模型，然后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance命令对模型进行移动，最终的装配结果如错误!未找到引用源。所示。 图 1-6 第四步，对模型进行网格划分。进入Abaqus中的Mesh模块，然后选择Bolt 零件，使用按边布种的方式对其进行布种，布种结果如错误!未找到引用源。所示。在菜单Mesh->Control中进行如错误!未找到引用源。所示的设置使用自由网格划分，其余设置使用默认。在菜单Mesh->Element type中选用如错误!未找到引用源。所示的设置。按下Mesh图标，对工件进行网格划分，最终的结果如错误!未找到引用源。所示。同样的方式对螺母模型nut进行网格划分，最终结
第六章梁单元的应用 对于某一方向尺度 (长度方向)明显大于其它两个方向的尺度，并且以纵向应力为主的结构，ABAQUS用梁单元对它模拟。梁的理论是基于这样的假设：结构的变形可以全部由沿梁长度方向的位置函数来决定。当梁的横截面的尺寸小于结构典型轴向尺寸的1/10时,梁理论能够产生可接受的结果。典型轴向尺寸的例子如下： ·支承点之间的距离。 ·有重大变化的横截面之间的距离。 ·所关注的最高振型的波长。 ABAQUS梁单元假定梁横截面与梁的轴向垂直，并在变形时保持为平面。 切不要误解为横截面的尺寸必须小于典型单元长度的1/10，高度精细的网格可能包含长度小于横截面尺寸的梁单元，不过并不推荐这种方式，这种情况下实体单元更适合。 6.1 梁横截面的几何形状 可以给出梁横截面的形状和尺寸来定义梁的外形,也可以给出梁横截面工程性质（如面积和惯性矩）来定义一般梁的外形。 如果用梁横截面的形状和尺寸来定义梁的外形，ABAQUS提供了如图6－1所示的各种常用的梁横截面形式可资利用。使用其中的任意多边形横截面可以定义任意形状的薄壁截面梁。详情可参考ABAQUS/标注用户手册中15.3.9节。 图6-1梁横截面形状 在定义梁横截面的几何形状时，ABAQUS/CAE会提示输入所需尺寸，不同的横截面类型会有不同的尺寸要求。如果梁的外形与梁横截面的截面性质有关时，可以要求在分析过程中计算横截面的工程性质，也可以要求在分析开始前预先计算横截面的工程性质。当材料的力学特性既有线性又有非线性时（例如，截面刚度因塑性屈服而改变），可以选用第一种方式，而对线弹性材料，第二种方式效率更高。 也可以不给出横截面尺寸，而直接给出横截面的工程性质（面积、惯性矩和扭转常数），这时材料的力学特性既可以是线性的也可以是非线性的。这样就可以组合梁的几何和材料特性来定义梁对荷载的响应，同样，响应也可以是线性或非线性的。详情可参考ABAQUS/标准用户手册中15.3.7节。 6.1.1 截面计算点 梁横截面的几何形状和尺寸确定后，就要在分析过程中计算横截面的工程性质，