关于solid65单元的运用

zsh

之前一直用solid45模拟箱梁，现在想用solid65模拟，但不太清楚solid65的用法，能否给个简单例子，哪位大神有麻烦发一份谢谢。

Pseudo-lover

1. !一段定义混凝土单元的命令
   
2. /units,si
   
3. /prep7
   
4. ET,1,SOLID65,,,,,2 ! REINFORCED CONCRETE SOLID ELEMENT
   
5. ET,2,LINK8 ! STEEL RODS
   
6. R,1
   
7. R,2,.0002 ! HALF AREA OF ROD
   
8. MP,EX,1,2.55E10 ! CONCRETE PROPERTIES
   
9. MP,NUXY,1,0  
   
10. TB,MKIN,1 !Multilinear kinematic hardening plasticity
    
11. TBTEMP,,STRAIN
    
12. TBDATA,,0.0001,0.0005,0.0010,0.0015,0.0020
    
13. TBTEMP,,
    
14. TBDATA,,2.55E6,4.375E6,7.5E6,9.375E6,10E6
    
15. TB,CONCR,1
    
16. TBDATA,3,1.1e6,10e6
    
17. MP,EX,2,2E11 ! STEEL PROPERTIES
    
18. MP,NUXY,2,0.3

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Pseudo-lover

SOLID65单元性质

SOLID65单元描述：

SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y,z三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。

本单元与SOLID45单元（三维结构实体单元）的相似，只是增加了描述开裂与压碎的性能。本单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能。有关SOLID65单元的更细节的描述请参见《ANSYS理论手册》。

SOLID65的几何模型图

SOLID65输入数据：

关于单元几何图形、节点位置、单元坐标系请见上图。单元性质为八节点各向同性材料，单元包括一种实体材料和三种钢筋材料，用命令MAT输入对混凝土材料的定义，而有关钢筋的细则需在实常数中定义，包括材料号、体积率、方向角(THETA, PHI)，钢筋的方向角可通过命令/Eshape以图示方式校验。

体积率是指钢筋的体积与整个单元体积的比，钢筋的方向通过单元坐标系中的两个角度（度制）来定义。当钢筋的材料号为0或等于单元的材料号时则不考虑它的作用。

另外，有关混凝土的材料定义，如剪切传递系数，拉应力，压应力都应在数据表中给出，详细描述见表“SOLID65混凝土材料数据表”。通常剪力传递系数为0～1.0，0表示平滑的裂缝（完全丧失剪力传递作用），1表示粗糙的裂缝（几乎没有失去剪力传递作用）。这就有利于对裂缝开裂与闭合进行描述。

有关单元荷载的描述见“节点单元荷载”（ANSYS帮助中专有一节）。压力作为面荷载作用在单元表面如“SOLID65的几何模型图”中带圈数字所示。主动力作用在单元内。温度和影响（fluences一词不知如何译好）可在节点上作为单元体荷载输入。节点I的温度T（I）默认为TUNIF，如其它节点温度没有被指定，则它们默认为T（I）。对于其它的输入模型未指定温度时默认值都为TUNIF。对影响（fluence）的设定除用0取代TUNIF外与温度的设定是相同的。

用命令TREF和BETAD分别用来设定整体的基准温度和阻尼值。用MAT命令指定与单元相关的基准温度值（MP，REFT）或阻尼值（MP，DAMP），但不能对钢筋的材料号进行以上定义。

KEYOPT（1）用于设定是否考虑大变形，KEYOPT（5）和KEYOPT（6）则提供是多种单元输出选项（详见单元解答）。

KEYOPT(7)是与是否考虑应力松弛相关的项，当KEYOPT＝1时表示考虑，目的是加速裂缝即将开裂时计算的收敛（在混凝土材料数据表的第9个系数中的输入值即为拉伸应力松弛的折减系数）。应力松弛并不能反应因为次生裂缝的产生而引起的应力应变关系的变化。松弛系数在裂缝处为零，因此，相应的开裂面上的刚度也是零。

在几何非线性分析时可用“SOLCONTROL,,,INCP”命令设定考虑抗压刚度的影响。抗压刚度的影响在线性屈曲分析中会被自动考虑。

SOLD65单元输入总结：

节点：

I,J,K,L,M,N,O,P

自由度：

UX,UY,UZ

实常数：

MAT1, VR1, THETA1, PHI1, MAT2, VR2,

THETA2, PHI2, MAT3, VR3, THETA3, PHI3

(这里的 MATn 是材料号, VRn 是体积率, 而THETAn 和 PHIn 方向角，代表了三种钢筋材料。)

材料性质：

EX, ALPX, PRXY or NUXY, DENS (用于混凝土)

EX, ALPX, DENS (用于每种钢筋)

还可通过MAT命令设定阻尼与基准温度。

表面荷载：

压力―――

面1（J-I-L-K），面2（I-J-N-M），面3（J-K-O-N），

面4（K-L-P-O），面5（L-I-M-P），面6（M-N-O-P）

体荷载：

温度―――

T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N), T(O), T(P)

影响（Fluences）--

FL(I), FL(J), FL(K), FL(L), FL(M), FL(N), FL(O), FL(P)

特性：

Plasticity（塑性）

Creep（蠕变\徐变）

Cracking（开裂）

Crushing（压碎）

Large deflection（大变形）

Large strain（大应变）

Stress stiffening（应力强化）

Birth and death　（生死）（单元生死？）

Adaptive descent

KEYOPT(1) 大变形控制:

0 --

考虑大变形

1 --

不考虑

KEYOPT(5) 混凝土线性解的输出控制:

0 --

只打印质心的线性解

1 --

给出每个积分点的解

2 --

输出节点应力

KEYOPT(6) 混凝土非线性解输出控制:

0 --

只打印质心的线性解

3 --

同时还给出积分点的解

KEYOPT(7) 开裂后应力松驰考虑选项:

0 --

不考虑拉伸应力松驰

1 --

考虑应力松驰，有助于计算收敛

Pseudo-lover

SOLID65单元信息：
列在“SOLID65混凝土材料数据表”中的数据项是通过TB命令来建立的。表中未重新赋值的项默认为0或其特定默认值。数据表首先用TB（with LAB=CONC）命令生成，再用命令TBTEMP定义温度，用命令TBDATA定义其余表项。最多可定义六种温度，相应与每种温度都可用TBDATA建立C1～C9各项的值。

注：当变量3（4）被设为-1时表示混凝土无开裂（无压碎），如只输入前1－4项，则5－8项取默认值，如5－8项中给定了其中一项的值，则其余3项也必需给出。
SOLID65 输出数据：
与单元相关的解答输出项有以下两方面：

• 所有节点的节点位移；
• 其它输出项见“SOLID65单元输出数据说明表”
  

一些细则的说明可见“SOLID65应力输出图”。单元应力的方向平行于单元坐标系，只有当非线性特性被考虑时才有相应的输出，当然也只有对钢筋参数进行过定义，才有关于它的输出。如可能发生开裂或压碎，那具体情况也会在积分点上输出，因为开裂和压碎可能发生在任一积分点上。在POST1中用命令PLCRACK可显示各积分点的状态。对输出结果更普便的说明可参见“结果输出说明”，对各种结果数据（图形）的查看方法请见《ANSYS入门指南》。

SOLID65应力输出图

单元输出说明表的有关事项解释如下：
表中第一列给出了各输出项的名称，用命令ETABLE（POST1）及ESOL（POST26）可定义这些变量用于查询。第三列表示某一变量值是否在输出文件中给出，第四列某一变量值是否在结果文件中给出。
无论是第三还是第四列，“Y”表示可以输出，列中的具体数值则表示在满足特定条件时才输出，而“－”则表示不输出。
SOLID65单元输出数据说明表

1、  混凝土求解项目（输出每个积分点（如KEYOPT（5）＝1）和质心）
2、  单元状态表（SOLID65单元状态表）对应项含意：

• Crushed：混凝土被压碎
• Opend：混凝土开裂，裂缝张开
• Colesed：混凝土开裂，但裂缝闭合
• Neither：混凝土即未开裂也未压碎
  

3、  钢筋求解项给出每种钢筋情况
4、  混凝土非线性积分点解（如KEYOPT（6）＝3　and the element has a nonlinear material）
5、  钢筋非线性积分点解（如KEYOPT（6）＝3　and the rebar has a nonlinear material）
6、  仅在质心利用＊GET命令可得的选项。
7、  等效应变用一个有效的泊松比：对于弹性和热量问题这个值通过“MP，PRXY”命令设定，对于塑性和蠕变问题这个值被设为0.5。

SOLID65混合单元输出项

1、如果KEYOPT（5）＝2，则输出每个节点的值。

SOLID65单元状态对应表


“SOLID65项目和序号表”中列出了在后处理中可通过ETABLE命令加参数及数字序号的方法定义可列表察看的有关变量的细则。详细参见《ANSYS基本分析指南》中有关“The General Postprocessor (POST1)”和“The Item and Sequence Number Table”部分。下面是表格的一些使用说明：
Name
指在“SOLID65单元输出数据说明表”中的有关变量。
Item
命令ETABLE中使用的参数。
I,J,...,P
节点I,J,...,P所对应的数字序号。
IP
积分点对应的数字序号

SOLID65项目和序号表


SOLID65的假定和限制：

• 不允许使用零体积单元；
• 单元可以如“几何模型图”编号，也可将图中的IJKL面与MNOP面的编号交换。同时单元不能被扭转导致形成两个单独体，在对单元不恰当编号时这种情况最可能发生。
• 所有的单元应有八个节点
• 当K与L，O与P节点重合时单元形状便成为棱柱体形，当然也可退化为四面体。其它的形状会被四面体自动替换。
• 当考虑单元的钢筋作用时，钢筋被假定分散在整个单元中，且所有钢筋的总体积率不能起过1.0。
• 单元是非线性的故要求迭代求解。
• 当同时考虑混凝土的开裂与压碎时，应注意要缓慢加载，以免在实际可承受荷载通过闭合裂缝传递前出现混凝土的假压碎现象。这种现象通过泊松效应常常发生在与大量开裂应变垂直的未开裂的方向上。同样也会在压碎的积分点上出现，输出的塑性和蠕变应变值来自于先前子步的收敛。而且，当裂缝已经产生，则弹性应变的输出量就包含了开裂应变。单元开裂或压碎后失去的抗剪作用将不能被传递到钢筋上，因为钢筋没有抗剪刚度。
• 在考虑开裂或压碎的材料非线性问题中以下两项最好不要考虑：
  

              应力强化效应。

              大应变、大变形。
              否则，结果可能不收敛或不正确，特别在有大转角情况下。

Pseudo-lover

ANSYS中SOLID65单元使用注意事项

网格质量的好坏将影响到计算精度，六面体的SOLID 65单元一般比四面休的单元计算要稳定且收敛性好。因此，只要条件允许，应该尽量使用六面体单元。由于SOLID 65单元本身是基于弥散裂缝模型和最大拉应力开裂判据，因此在很多情况下会因为应力集中丽使混凝土提前破坏，从而和试验结果不相吻合，因此，在实际应用过程中应该对单元划分进行有效控制，有文献建议，当最小单元尺寸大于5cm时，就可以有效避免应力集中带来的问题。

支座是另一个需要注意的问题。在有限元分析中，很多时候约束是直接加在混凝土节点上，这样很可能在支座位置产生很大的应力集中，从而使支座附近的混凝土突然破坏，造成求解失败。因此，在实际应用过程中，应该适当加大支座附近单元的尺寸或者在支座上加一些弹性垫块，避免支座的应力集中而造成的单元提前破坏。

混凝土压碎的设置不考虑压碎时，与实际情况不符，但计算相对容易收敛且计算结果也较为满意；如果考虑压碎，则即使没有达到压碎应力也难收敛如果是正常使用情况下的计算，建议关掉压碎选项：如果是极限计算，建议使用CONCRETE+MISO且关闭压碎检查。当同时考虑混凝土的开裂与压碎时，应注意要缓慢加载，以免在实际可承受荷载通过闭合裂缝传递前出现混凝土的假压碎现象。这种现象通过泊松效应常常发生在与大量开裂应变垂直的未开裂的方向上。同样也会在压碎的积分点上出现，输出的塑性和蠕变应变值来自于先前子步的收敛。而且，当裂缝己经产生，则弹性应变的输出量就包含了开裂应变。单元开裂或压碎后失去的抗剪作用将不能被传递到钢筋上，因为钢筋没有抗剪刚度。

正确选择收敛标准，一般位移控制加载最好用位移的无穷范数控制收敛，而用力控制加载时可以用残余力的2一范数控制收敛。在裂纹刚刚出现和接近破坏的阶段，可以适当放松收敛标准，保证计算的连续性。

钢筋混凝土材料的计算采用不同的材料，具有不同的几何物理关系，不同的本构关系和强度条件，具有复杂性，因此计算不容易达到收敛。需要通过调整参数来满足精度的要求，如调整子步数，打开或关闭线性搜索、白适应下降、预测等选项。

Pseudo-lover

利用ANSYS Solid 65单元分析复杂应力条件下的混凝土结构


陆新征，江见鲸清华大学土木工程系，北京，100084

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2015-9-10 09:33 上传

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zsh

Pseudo-lover 发表于 2015-9-10 09:33
利用ANSYS Solid 65单元分析复杂应力条件下的混凝土结构

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