論壇精華丨ADINA混凝土計算專題——如何實現收斂的參數設定建議

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

壇子里面不少朋友在問一些混凝土非線性計算的問題,包括單調加載的計算和滯回分析計算。如果是單調加載計算,對adina而言,確實太“小菜”,你可以把構架壓到遍布“傷痕”,甚至有實驗條件,還能獲得和試驗對比很優質的對比結果,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加載復雜,對非線性計算的要求也更高,因此,專門談談這個問題——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應力鋼筋混凝土模型),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雜節點的試驗模擬計算。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型的框架梁柱節點,等等。由于純粹的鋼結構模型,其材料即使在大幅度流塑變形以后(沒有撕裂之前),也基本是連續介質材料,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為不連續材料,物理響應的震蕩更大一些,非常容易導致計算發散問題,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,依據做的過算例,結合adina的計算結果以及收斂性來說,雖有些小小的不盡人意,但總體還不錯,參數設置好之后,一般都能越過屈服位移之后繼續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——可能和一般的循環加載規定有小的差異,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,從結果來看,后期的滯回耗能主要靠鋼結構部分提供耗散能力(和純鋼結構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,這可能是鋼結構部分提供了較好的耗散能力所致,雖然混凝土開裂以后,非線性計算容易發散,但在出現由于數值原因或者物理原因導致的應變、應力震蕩時,鋼結構已經順利完成“交班”工作,這很大程度上可能也提高了數值收斂性,而且,adina優異的非線性計算能力提供了一系列強制收斂的技術,這在一定程度克服了數值原因導致的發散問題(實際上絕大多數情況下,包含混凝土的模型不收斂主要原因是數值計算方法和參數模型所致,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,根據個人的一部分計算經驗,其提高非線性收斂能力的影響參數主要包含一下幾點(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對收斂性影響較大,這種技術將靜力過程當做微動力過程來處理,通過設置合理的微動力阻尼系數(0.001-0.2)和對應的時間增量步(1-1000),可以顯著加強收斂,但同時不會導致“假”的動力效應,產生錯誤數值震蕩。

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

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調性,建議鋼筋采用2次或者以上的單元(避免局部過“剛”導致的局部應力震蕩問題影響收斂)。

4、采用稀疏矩陣算法或者多重網格法均有較高的收斂性和精度,具體選擇什么算法,可以視計算規模和試驗確定,一般情況下,多重網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點設置為主節點。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格疏密有關,當然你也可以在分網時,讓兩者網格節點協調連續,但不具備操作性)

6、型鋼或者鋼筋與混凝土之間可以設置彈簧單元實現滑移模擬,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雜模型基本不具備操作性,偶爾做兩根簡單構件,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),至少我現階段不會考慮這個東西。

7、計算收斂容差雖然會導致精度變差,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和混凝土的本構曲線類似,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,但其結果似乎合理一些。rebar模式出現類似混凝土本構的滯回特征,究其原因,個人以為,可能和程序對rebar的處理方式有關,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該不算小(少筋構件除外),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定性,就計算收斂而言,應該比桁架單元更有優勢。我曾經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果非常吻合,包括撓度變形。
9、混凝土本構模型,很多人習慣采用單軸加載的混凝土本構模式,個人推薦采用循環加載模式下的本構模式,這種模式在壓碎階段的極限應變更大一些,對收斂性有一定幫助,具體可以參考相關的專業文獻。至于鋼筋或者鋼材的材料本構,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,做過實驗的人都知道,對于復雜模型,試驗的加載條件和邊界設置懸著呢,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計參數吧,反正是搞著玩)。單純針對程序計算能力而言,結果還不錯。