論壇精華丨ADINA混凝土計算專題——如何實現(xiàn)收斂的參數(shù)設(shè)定建議

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

壇子里面不少朋友在問一些混凝土非線性計算的問題,包括單調(diào)加載的計算和滯回分析計算。如果是單調(diào)加載計算,對adina而言,確實太“小菜”,你可以把構(gòu)架壓到遍布“傷痕”,甚至有實驗條件,還能獲得和試驗對比很優(yōu)質(zhì)的對比結(jié)果,這個帖子不想過多糾纏在這個論題上,因為滯回分析遠比單調(diào)加載復(fù)雜,對非線性計算的要求也更高,因此,專門談?wù)勥@個問題——加之進來不少朋友似乎對這個感興趣。

混凝土模型主要包含兩大類,一類是型鋼砼組合模型,一類是純粹的鋼筋混凝土模型(普通鋼筋混凝土模型或者預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土模型),這兩類模型我都做過一些簡單的測試計算,也做過一些針對工程復(fù)雜節(jié)點的試驗?zāi)M計算。從說明問題的角度來說,越簡單的模型其實越有說服力,比如簡單的H型砼鋼組合梁,鋼筋混凝土梁,T型的框架梁柱節(jié)點,等等。由于純粹的鋼結(jié)構(gòu)模型,其材料即使在大幅度流塑變形以后(沒有撕裂之前),也基本是連續(xù)介質(zhì)材料,因此這一類模型對非線性計算沒有什么大的考驗,大多數(shù)CAE程序都能解決,在此不再贅述。就兩類混凝土模型而言,由于混凝土開裂之后變?yōu)椴贿B續(xù)材料,物理響應(yīng)的震蕩更大一些,非常容易導(dǎo)致計算發(fā)散問題,因此這個問題確實很困擾人。但目前就個人的使用體會而言,依據(jù)做的過算例,結(jié)合adina的計算結(jié)果以及收斂性來說,雖有些小小的不盡人意,但總體還不錯,參數(shù)設(shè)置好之后,一般都能越過屈服位移之后繼續(xù)3-6個滯回圈(視滯回增量不同,每一個滯回過程2-3個循環(huán)——可能和一般的循環(huán)加載規(guī)定有小的差異,主要是為了減少計算消耗),所謂的“小小的不盡人意”主要針對純粹的鋼筋混凝土模型而言(這其實也是所有的非線性程序需要克服的地方)。以型鋼混凝土模型來說,從結(jié)果來看,后期的滯回耗能主要靠鋼結(jié)構(gòu)部分提供耗散能力(和純鋼結(jié)構(gòu)模型的滯回特征有一些相似性),因此其計算收斂性更好,和鋼筋混凝土模型相比,這可能是鋼結(jié)構(gòu)部分提供了較好的耗散能力所致,雖然混凝土開裂以后,非線性計算容易發(fā)散,但在出現(xiàn)由于數(shù)值原因或者物理原因?qū)е碌膽?yīng)變、應(yīng)力震蕩時,鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)順利完成“交班”工作,這很大程度上可能也提高了數(shù)值收斂性,而且,adina優(yōu)異的非線性計算能力提供了一系列強制收斂的技術(shù),這在一定程度克服了數(shù)值原因?qū)е碌陌l(fā)散問題(實際上絕大多數(shù)情況下,包含混凝土的模型不收斂主要原因是數(shù)值計算方法和參數(shù)模型所致,因此,視程序不同,各自的非線性能力對各種問題的適應(yīng)性差異較大)。純粹的鋼筋混凝土模型,混凝土是提供模型主要剛度的因素,鋼筋雖然能夠提高模型的延性和總體承載力,但其能力和組合砼模型相比較就差得較遠了。就adina程序而言,根據(jù)個人的一部分計算經(jīng)驗,其提高非線性收斂能力的影響參數(shù)主要包含一下幾點(一時之間可能沒有概括完),貢獻給大家:

1、adina獨有的微動力阻尼系數(shù)對收斂性影響較大,這種技術(shù)將靜力過程當做微動力過程來處理,通過設(shè)置合理的微動力阻尼系數(shù)(0.001-0.2)和對應(yīng)的時間增量步(1-1000),可以顯著加強收斂,但同時不會導(dǎo)致“假”的動力效應(yīng),產(chǎn)生錯誤數(shù)值震蕩。

2、非協(xié)調(diào)元雖然精度較高(可以線性積分單元的形式獲得高次多節(jié)點單元的精度),但代價是收斂性變差,因此推薦采用協(xié)調(diào)元。

3、提高混凝土單元的積分階次(2-4次)可以有效提高計算精度和收斂性,但速度有一定降低,3次或者以下速度降低不明顯,同時,為了增加鋼筋和混凝土單元的協(xié)調(diào)性,建議鋼筋采用2次或者以上的單元(避免局部過“剛”導(dǎo)致的局部應(yīng)力震蕩問題影響收斂)。

4、采用稀疏矩陣算法或者多重網(wǎng)格法均有較高的收斂性和精度,具體選擇什么算法,可以視計算規(guī)模和試驗確定,一般情況下,多重網(wǎng)格法計算速度快一些,特別是模型較大的時候。

5、型鋼和混凝土的連接通過剛性連桿約束或者約束方程都可以,一般把型鋼或者鋼筋節(jié)點設(shè)置為主節(jié)點。這樣對精度和收斂性都有好處(有些時候可能還和兩者的網(wǎng)格疏密有關(guān),當然你也可以在分網(wǎng)時,讓兩者網(wǎng)格節(jié)點協(xié)調(diào)連續(xù),但不具備操作性)

6、型鋼或者鋼筋與混凝土之間可以設(shè)置彈簧單元實現(xiàn)滑移模擬,但這個彈簧剛度多少呢,誰也不敢拍著胸口說。而且這種建模方式對復(fù)雜模型基本不具備操作性,偶爾做兩根簡單構(gòu)件,算著玩,可以試試,當然對搞兩篇豆腐塊有一定的幫助。所以,快刀斬亂麻,這個東西就別考慮了(個人意見),至少我現(xiàn)階段不會考慮這個東西。

7、計算收斂容差雖然會導(dǎo)致精度變差,但我確實不知道對于高度非線性問題,0.05和0.001甚至0.1有什么明顯的差異,建議這個參數(shù)適當放大,幫助收斂,收斂準則有限采用位移準則或者能量準則。

8、對于普通鋼筋混凝土模型,不推薦采用rebar+彌散開裂模型的方式進行處理,從幾個算例的分析比較來看(也有個別鋼筋混凝土模型計算得非常不錯),rebar模式得到的滯回包絡(luò)和混凝土的本構(gòu)曲線類似,個人以為這是不正常的,至少沒有反映出鋼筋的貢獻,推薦的方式還是鋼筋骨架(beam)+彌散開裂模式的做法,這種方式實際上收斂性不如rebar方式,但其結(jié)果似乎合理一些。rebar模式出現(xiàn)類似混凝土本構(gòu)的滯回特征,究其原因,個人以為,可能和程序?qū)ebar的處理方式有關(guān),也許,這種模式就只是把rebar當成了混凝土的增強纖維,也就是混凝土材料的一種“內(nèi)部成分”,實際不是這樣的,鋼筋骨架的剛度貢獻和強度貢獻應(yīng)該不算小(少筋構(gòu)件除外),基于這樣的思路,也許采用梁單元模式處理鋼筋可能更合適,而且梁單元形成的鋼筋骨架具有穩(wěn)定性,就計算收斂而言,應(yīng)該比桁架單元更有優(yōu)勢。我曾經(jīng)做過一個簡單的鋼筋混凝土模型在adina和midas中對比計算,由于midas本身的原因,比較兩者彈性階段的承載力結(jié)果非常吻合,包括撓度變形。
9、混凝土本構(gòu)模型,很多人習(xí)慣采用單軸加載的混凝土本構(gòu)模式,個人推薦采用循環(huán)加載模式下的本構(gòu)模式,這種模式在壓碎階段的極限應(yīng)變更大一些,對收斂性有一定幫助,具體可以參考相關(guān)的專業(yè)文獻。至于鋼筋或者鋼材的材料本構(gòu),建議用MKIN或者BKIN就夠了(混合模型是一個新模型,但在理論手冊上沒找到相關(guān)資料,有資料的朋友不妨貢獻出來,謝謝了),雖然很多人指出這兩種模型有一些缺陷(似乎較粗),但看了他們改進的模型,似乎精度提高也不大,同樣個別時候存在著偏差很大的情況。況且,模型和試驗的精度對比不能絕對以試驗為依據(jù),做過實驗的人都知道,對于復(fù)雜模型,試驗的加載條件和邊界設(shè)置懸著呢,誰敢說試驗就一定是標準和原則呢..........

個人意見,歡迎補充和指正!
附圖是一些簡單的計算案例的結(jié)果圖片(算著玩,不針對任何工程實際,有興趣做的朋友隨便設(shè)計參數(shù)吧,反正是搞著玩)。單純針對程序計算能力而言,結(jié)果還不錯。