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探析混凝土本构模型的网格敏感性
 
更新日期:2019-04-30   来源:工程力学   浏览次数:166   在线投稿
 
 

核心提示:混凝土作为一种重要的建筑工程材料,自产生至今已有百余年历史,并被广泛应用于各个领域。混凝土因其自身材料组成上的非均质性,导致其力学性能上的非

 
 混凝土作为一种重要的建筑工程材料,自产生至今已有百余年历史,并被广泛应用于各个领域。混凝土因其自身材料组成上的非均质性,导致其力学性能上的非线性和非各向同性,从而使得混凝土的强度与变形关系十分复杂。近30年来,计算机技术的飞速发展和日益普及,以及有限元分析方法的不断完善和丰富,两者的结合为混凝土材料及构件的准确分析和合理设计提供了强有力的理论基础和高效的运算手段[1]。ABAQUS是一款非线性功能较强的大型有限元分析软件,广泛应用于从简单的线弹性问题到复杂的几何和材料非线性问题,并取得较好的效果。但是,ABAQUS在处理像混凝土这样的非线性的材料时所得到的有限元模拟结果对网格尺寸具有依赖性,也就是所谓的网格敏感性。本文主要基于ABAQUS中所提供的三种混凝土本构模型,即弥散开裂模型、脆性开裂模型和塑性损伤模型[2][3][4]探究在不同网格尺寸下所产生的网格敏感性。
国内外针对网格敏感性的研究非常有限。方秦[6]陈力[7]等基于塑性损伤模型和弥散开裂模型,建立了单一网格并进行混凝土力学性能数值模拟,认为两种模型均能较为精确地模拟混凝土材料单轴受拉、受压状态下的力学性能。Jobin George等[9]通过对素混凝土梁三点弯曲的数值模拟证明了不同的网格尺寸会导致塑性损伤模型所得到的结果不同。在数值试验方面,S.V.Chaudhari等[10]通过对一个混凝土立方体试块单轴受压的数值试验比较弥散开裂模型和塑性损伤模型的网格敏感性,认为弥散开裂模型所得到的峰值应力对网格的依赖性小于塑性损伤模型。此外,Yusuf Sumer等[8]采用塑性损伤模型结合多个混凝土梁实例分析,认为当有限元网格尺寸为50 mm时,数值结果与试验结果最接近。Earij A.等[11]同样采用塑性损伤模型并根据与梁高度的相对大小选择网格尺寸进行参数分析,认为当网格尺寸为梁高度的0.04~0.08时,网格粗细对结果影响不大。在理论分析方面,ABAQUS帮助文档[2][3]指出,有限元计算中混凝土单元破坏的不均匀分布会引起网格敏感性问题,并且在缺少钢筋的区域这一问题尤为显著。李杰等[12]通过对一维的悬臂梁的分析指出材料应力-应变关系的软化段将引起应变局部化问题,导致数值分析结果具有网格敏感性,并进一步给出公式,阐述了网格尺寸对荷载-位移全曲线的影响。
综上所述,现有的网格敏感性方面的研究缺乏对材料应力-应变全曲线的关注,且研究样本较少。此外,现有模拟结果大多针对特定研究对象进行了不同网格尺寸试算,缺少对网格尺寸选取的合理建议。混凝土从试件到构件尺寸变化范围较大,某个具体的尺寸不一定放之四海而皆准,而网格的相对尺寸在相关研究中选取范围较窄,对网格敏感性的探讨不够充分。
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