基于ANSYS的混凝土非线性计算实例—梁平面应力分析

问题描述

一带加强筋的混凝土梁承受纯弯矩作用，假设混凝土裂缝拉伸强度为0,如图1所示

材料属性如下：

Ø混凝土：弹性模量，裂缝拉伸强度，泊松比

Ø钢材：弹性模量，泊松比

几何及载荷属性如下：

Ø，，（加强筋截面积）

Ø

图1 模型示意图

下面分别是利用菜单操作和命令流方式进行有限元分析的方法

一、GUI菜单建模分析过程

第一步，清除内存准备分析

1)清除内存：

GUI：Utility Menu>File>Clear& Start New

2)更换工作文件名：

GUI：Utility Menu>File>Change Jobname，输入A REINFORCED CONCRETE BEAM

3)定义标题：

GUI：Utility Menu>File>Change Title，输入BENDING OF A REINFORCED CONCRETE BEAM Load

第二步，创建有限元模型

1)进入前处理器：

GUI：Main Menu>Preprocessor

2)定义单元类型并设置单元选项：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，定义第一类单元为SOLID65，lane42），第二类单元为LINK8，第三类单元为PIPE16；选中type1即SOLID65单元，单击Element Types对话框的Options按钮，弹出对话框，K5项从下拉列表中选择Nodal stress；同样的方法，设置type3即PIPE16单元，在 K7项对应的的下拉列表中选择Calculate matrix

3)定义实常数：

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Real Constants>Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击Add按钮，选中type 1即SOLID65单元，点击OK，弹出对话框，接受默认值；同样的步骤，点击type 2即LINK 8单元，在AREA值域输入0.15；最后点击type 3即PIPE 16单元，在OD值域输入1，TKWALL值域输入0.5

4)定义材料：

Ø定义混凝土弹性模量及泊松比GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>

Material Models，弹出对话框，在右侧窗口中连续双击选择Structural>linear>Elastic>Isotropic，弹出窗口，在值域EX处输入2e6，在值域PRXY处输入0

Ø定义混凝土其他材料属性GUI：连续双击Structural>Nonlinear>Inelastic>Rate Dependent>Non-metal Plasticity>Concrete，弹出对话框，在值域UnCompSt输入-1，其他值域输入0

Ø类似的方法定义第二类材料（钢材）的材料属性，在值域EX处输入30e6，在值域PRXY处输入0.3，单击OK按钮确定。

5)创建节点：

Ø创建节点GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>In Active CS，弹出对话框，在NODE Node number值域输入1，X,Y,Z Location in active CS值域输入0，0，0，点击Apply按钮创建节点2，坐标为（1.5，0，0）

Ø复制节点GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Copy>Nodes>Copy，弹出对话框，点击Pick All按钮，弹出对话框，如在ITIME值域输入5，   DX值域输入0，DY值域输入1.5，DZ值域输入0，INC值域输入2，RATIO值域输入1，点击Apply按钮；同样的步骤复制节点，ITIME值域输入2，DX值域输入0，DY值域输入0，DZ值域输入5，INC值域输入10，RATIO值域输入1

6)创建单元：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto Numbered>Thru Nodes，弹对话框，依次拾取点7、8、10、9、17、18、20、19

7)改变单元类型及实常数：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Elem Attributes，弹出对话框，[TYPE]项设置为3 PIPE16，[REAL]项设置为3

8)创建单元：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto Numbered>Thru Nodes，弹出对话框，依次拾取点10、8，点击Apply按钮，再拾取20、18

9)复制单元：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Copy>Elements>Auto Numbered，弹出对话框，点击Pick All按钮，弹出对话框，在ITIME值域输入4，NINC值域输入-2

10)改变单元类型、材料类型及实常数：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Elem Attributes，弹出对话框，[TYPE]项设置为2 LINK 8，[MAT]设置为2，[REAL]项设置为3

11)创建单元：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Auto Numbered>Thru Nodes，弹出对话框，依次拾取点1、2，点击Apply按钮，再拾取11、12

12)建立约束方程（平截面假设）：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Constraint Eqn，弹出对话框，在NEQN值域输入1，NODE1值域输入2，Lab1从下拉列表选择UX，C1值域输入-1，NODE2值域输入6，Lab2从下拉列表选择UX，C1值域输入1，NODE3值域输入6，Lab1从下拉列表选择ROTZ，C1值域输入3，点击Apply按钮。同样的方法再创建其他7个约束方程，详见表1所示

表1 其他7个约束方程

13)选择X坐标为0的节点并施加位移约：

Ø选择节点GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出对话框，在第一个下拉列表选择Nodes，第二个下拉列表选择By Location，复选框选择X coordinates，在Min，Max值域输入0，最下面选择From Full

Ø施加位移约束GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>

Displacement>On Nodes，弹出对话框，点击Pick All，弹出对话框，设置自由度为ALL DOF

14)选择所有节点并施加位移约束：

Ø选择所有节点GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出对话框，在第一个下拉列表选择Nodes，第二个下拉列表选择By Num/Pick，最下面选择From Full

Ø施加位移约束GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>

Displacement>On Nodes，弹出拾取节点的对话框，点击Pick All，弹出对话框，设置自由度为ROTY

15)施加弯矩：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>

On Nodes，弹出对话框，依次拾取节点6、16，点击OK，接着弹出对话框，Lab对应的项从下拉列表选择MZ，VALUE值域输入300

第三步，静力学分析

1)进入求解器：

GUI：Main Menu>Solution

2)子步设置：

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps，弹出话框，[NSUBST]值域输入5，[AUTOTS]项设置为ON

3)控制输出项：

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>Solu Printout，弹出对话框，将FREQ Print frequency项设置为Last substep

4)执行求解：

GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS

5)退出求解器：

GUI：Main Menu>Finish

第四步，执行后处理

1)进入后处理器：

GUI：Main Menu>Solution>General Postproc

2)获取1号单元9号节点处X方向的应力：

Ø选择1号单元GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出对话框，在第一个下拉列表选择Elements，第二个下拉列表选择By Num/Pick，最下面选择From Full，点击Ok按钮，弹出对话框，在文本框输入1，如图2所示

图2选择1号单元

Ø获取9号节点X方向的应力GUI：Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data，弹出对话框，左边列表选择Results data，右边列表选择Nodal results，点击OK按钮，接着弹出对话框，在Name文本框输入SCON，Node number N输入9，Results data to be retrieved项左边列表框选择Stress，右边列表框选择X-direction SX

3)提取13号单元轴向最大应力：

Ø选择13号单元GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出对话框，在第一个下拉列表选择Elements，第二个下拉列表选择By Num/Pick，最下面选择From Full，点击Ok按钮，弹出Select elements的对话框，在文本框输入13

Ø建立单元表GUI：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，弹出对话框，点击Add按钮，接着弹出对话框，在Lab文本框输入ST，Item，Comp Results data item对应项左边列表选择By sequence num，右边列表框选择LS,并在右下角文本框输入LS,1

Ø对单元进行排序GUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Sorted Listing>Sort Elems，弹出对话框，点击OK按钮确定

Ø获取13号单元的最大轴向应力GUI：Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data，弹出对话框，左边列表选择Results data，右边列表选择Elem table data，点击OK按钮，接着弹出对话框，在Name of parameter to be defined文本框输入STL，Element number N输入13，Elem table data to be retrieved项从下拉列表框选择ST

4)显示结果GUI：Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters，弹出对话框，，提取结果，如图3所示

图3显示结果

二、命令流如下

/clear,start

/filname, A REINFORCED CONCRETE BEAM

/title, BENDING OF A REINFORCED CONCRETE BEAM

/prep7

et,1,solid65,,,,,2

et,2,link8

et,3,pipe16,,,,,,,1

r,1

r,2,.15

r,3,1,.5

mp,ex,1,2e6

mp,nuxy,1,0

tb,concr,1

tbdata,3,0.0,-1

mp,ex,2,30e6

mp,nuxy,2,0.3

n,1

n,2,1.5

ngen,5,2,1,2,1,,1.5

ngen,2,10,1,10,1,,,5

e,7,8,10,9,17,18,20,19

type,3

real,3

e,10,8

e,20,18

egen,4,-2,1,3

type,2

mat,2

real,2

e,1,2

e,11,12

ce,1,, 2,ux,-1, 6,ux,1, 6,rotz,3

ce,2,,12,ux,-1,16,ux,1,16,rotz,3

ce,3,, 4,ux,-1, 6,ux,1, 6,rotz,1.5

ce,4,,14,ux,-1,16,ux,1,16,rotz,1.5

ce,5,, 8,ux,-1, 6,ux,1, 6,rotz,-1.5

ce,6,,18,ux,-1,16,ux,1,16,rotz,-1.5

ce,7,,10,ux,-1, 6,ux,1, 6,rotz,-3

ce,8,,20,ux,-1,16,ux,1,16,rotz,-3

nsel,s,loc,x

d,all,all

nsel,all

d,all,roty

f,6,mz,300,,16,10

fini

/solu

autots,on

nsubst,5

outpr,,last

solve

/post1

esel,s,elem,,1,1

*get,scon,node,9,s,x

esel,s,elem,,13,13

etable,st,ls,1

esort,st

*get,slt,sort,,max

*status,parm

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