ANSYS高级非线性培训手册第08章

TrainingManual第八章Drucker-Prager与混凝土AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土本章综述•本章包括一些土木本构模型,即ANSYS中可用的Drucker-Prager塑性和混凝土。–Drucker-Prager用于颗粒状材料,如土壤、岩石、混凝土。–混凝土模型用于表示脆性材料的特性,包括岩石和某些陶瓷材料。介绍了断裂和压碎选项。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...本章综述•本章讨论下列内容:A.Drucker-Prager塑性B.混凝土模型AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土A.Drucker-Prager塑性•Drucker-Prager(DP)塑性应用于颗粒状(摩擦)材料,如土壤、岩石和混凝土。•与金属塑性不同,对于DP,屈服面是与压力有关的vonMises面:式中se是修正的等效应力,sm是静水压力,b是材料常数。•在主应力空间画出的屈服面是一个圆锥。21213sMsTmebsss1s2s3s1s2s3AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性•一些重要的注意点:–压缩时,静水压力的增加导致屈服强度的增加。–因为体积应变与静水压力有关,所以能考虑由于屈服引起的材料的体积膨胀。–假设没有硬化,因此材料行为是弹性-理想塑性。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性•可将屈服准则写成如下形式.•材料参数b和sy被定义为式中f是内摩擦角,c为粘滞力。–DP模型需要输入粘滞力(剪切屈服应力)“c”,单位为应力的单位。–还需输入内摩擦角“f”，单位为度。yTmsMsFsbs21213ffbsin33sin2ffssin33cos6cyAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性•注意压缩时的屈服应力大于拉伸时的屈服应力。•若有单轴拉伸st和压缩sc屈服应力作为原始数据,可由下列式子将它们转换为材料参数f和c:tctcytctcsssssssssb323ffsbbfcos6sin333233sin1ycAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性•方程的简单变换说明在主应力空间原点和拉伸屈服之间的距离等于(c)cot(f)。s1s2s3s1s2s3fcotcfsffsffsbscotsin33cos6sin33sin233ccmmymAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性•除了前面提及的两个参数f和c,还有另外一个称为剪胀角ff的参数,需要为DP模型输入。–剪胀角ff控制将要发生的体积膨胀的数量。–颗粒在材料剪切时相互“隆起”是致密颗粒状材料的一个例子。–图示它的一种方法是在子午平面上画出屈服面。“p”是静水压力,“q”是修正的等效应力。pqfffAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...Drucker-Prager塑性–在如下的子午平面,ff表示塑性流动的方向(剪胀角)，另一方面,f表示屈服面外法线的方向(内摩擦角)。–若ff=f,则流动法则称为关联的，结果发生明显的体积膨胀。–若fff,则流动法则为非关联的，发生较小的体积膨胀。–若ff=0,则不发生体积膨胀(塑性流动与屈服面垂直)，这通常是一种更保守的途经。pqfffAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...DP的ANSYS过程•仅某些单元支持DP塑性:–‘核心’单元:PLANE42,SOLID45,PLANE82,SOLID92和SOLID95–其它单元:LINK1,PLANE2,LINK8,PIPE20,BEAM23,BEAM24,SHELL43,SHELL51,PIPE60,SOLID62,SOLID65,SHELL91,SHELL93和SHELL143AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...DP的ANSYS过程•可通过材料GUI或TB命令输入DP材料参数:–MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels…•StructuralNonlinearInelasticNon-metalPlasticity应输入所有的常数(即粘滞力不能为0)，注意还需输入弹性材料属性(杨氏模量EX)，本材料模型不考虑温度相关性。TB,DP,1,,,0TBDATA,1,cohesionTBDATA,2,fricangleTBDATA,3,flowangleAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...DP的ANSYS过程•Drucker-Prager是率无关塑性模型，对求解选项,与其它率无关塑性模型的考虑事项相同。–需要时,指定非线性几何效应(NLGEOM,ON)–指定适当的子步数以捕捉路径相关响应。•后处理考虑事项:–若材料屈服,则等效塑性应变(NL,EPEQ)为非零。–等效应力参数spl(NL,SEPL)是在当前静水应力水平下的vonMises等效应力:–注意对等效应变(EPPL,EQV),ANSYS采取不可压缩非弹性应变(n’=0.5)，然而,若ff0,这是不真实的(屈服时发生体积膨胀)。当ff0时,考虑非弹性应变的下列情况,其中eeqv应是非零的:myplebsss330.0,,pleqvplzplyplxAAAeeeeAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土B.混凝土模型•ANSYS中混凝土材料模型用于模拟脆性材料,如混凝土,岩石和陶瓷。–包括断裂和压碎破坏模式。–破坏前,假设行为是线弹性的，然而,塑性和/或蠕变可以与混凝土结合,以提供破坏前的非线性行为。–该本构模型适用于低拉伸强度、高压缩承载能力。–由实常数指定沿三个单元坐标方向的“分布的”加筋,或者由LINK或COMBIN单元分别添加离散的加筋。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土模型•混凝土材料有以下特性:–在单元的每个积分点上进行材料计算。–混凝土模型在破坏点前呈现线弹性行为，在破坏载荷(scorst)下,发生压碎或断裂，并且在该点材料完全破坏。–压碎情况(压缩)下,材料完全破坏。–允许在每个积分点的三个正交方向上断裂(拉伸)，断裂在一个或几个方向上发生。对于发生断裂的方向,拉伸强度实质上变为零,尽管断裂结束时,垂直于裂缝的压应力可以转移，在没有发生断裂的方向上材料性能保持不变。–剪切转移系数bt和bc定义了在引起沿断裂面滑移的载荷作用下的剪切强度减缩系数。esftfcAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土模型•混凝土材料能与其它非线性组合:–混凝土可以包括塑性和蠕变。通常,多线性弹性或Drucker-Prager塑性用于混凝土。注意塑性屈服面必须位于混凝土破坏面内部，否则不会发生屈服。–右图为在主应力空间画出的混凝土破坏面。因此,任何其它非线性材料行为(即塑性)的屈服面必须位于混凝土破坏面内部。否则,材料将完全破坏而从未屈服。–在断裂/压碎检查之前,进行由于塑性的应力调整。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土模型•对于材料破坏,必须考虑四个区域:–0s1s2s3(压缩–压缩–压缩)–s10s2s3(拉伸–压缩–压缩)–s1s20s3(拉伸-拉伸-压缩)–s1s2s30(拉伸-拉伸-拉伸)•对于三维应力状态,破坏面是主应力和下面讨论的五个输入参数的函数，对上面所述的四个范围,破坏面都各不相同。–有关方程的详情请查阅ANSYS理论手册，第4.7节。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土模型•需要的混凝土材料常数如下:–极限抗拉强度,ft–极限抗压强度,fc–极限双轴抗压强度,fcb–周围静水应力状态,sah–双轴压缩与静水应力状态的叠加状态的极限抗压强度,f1–单轴压缩与静水应力状态的叠加状态的极限抗压强度,f2•首先需要两个常数ft和fc.其它的缺省为•该近似值仅对低静水应力分量情况,或有效.否则,用户应提供上述所有值。chf3sccccbffffff725.145.12.121AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土模型•通过实常数,也可把加筋指定为体积比(VR)。–加筋是“分布的”，若需要模拟离散加筋,建议采用LINK或COMBIN单元。–需要的输入包括钢筋材料号、体积比及方向角q和f。–加筋也可以包括塑性和蠕变，一般地,对加筋采用一种常用的随动强化法则。–可指定多达3组加筋。–加筋体积比的总和不能超过1.0。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土的ANSYS过程•只有SOLID65，8节点六面体单元支持混凝土。–MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete…–缺省时(KEYOPT(1)),SOLID65还包括特殊位移形状。–后面讨论断裂选项的应力松弛。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土的ANSYS过程•SOLID65实常数涉及加筋(若存在):–MainMenuRealConstantsAdd/Edit/Delete…–取向角q和f如下所示:AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManualDrucker-Prager塑性与混凝土...混凝土的ANSYS过程•通过材料GUI或TB命令输入混凝土材料参数:–MainMenuPrep