CN102129491A

CN102129491A - 一种混凝土裂缝扩展仿真方法

Info

Publication number: CN102129491A
Application number: CN 201110047579
Authority: CN
Inventors: 赵海涛; 吴胜兴; 王潘绣; 刘婷; 黄冬辉; 刘兰珣
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102129491B

Abstract

本发明公开了一种混凝土裂缝扩展仿真方法，属于计算机仿真技术领域。本发明包括根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点，并对可能开裂的积分点进行应力释放、刚度修正的过程；该过程按照以下步骤：首先根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点；然后根据客户的关注要点从可能开裂的积分点中选择最可能开裂点；在保持其余积分点状态不变的同时，对最可能开裂点进行应力释放、刚度修正；进行位移、应力重分布，并再次判定最可能开裂点，直至没有新开裂点出现。本发明可精确反映混凝土裂缝出现、扩展全过程以及裂缝出现的精确范围，既保留了弥散裂缝模型不需要重新划分网格、计算简便的优点，又克服了弥散裂缝模型与实际开裂情况不符的缺点。

Description

一种混凝土裂缝扩展仿真方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土裂缝扩展仿真方法，属于计算机仿真技术领域。

背景技术

计算机仿真技术是利用计算机对系统的结构、功能和行为等进行动态性逼真模仿的技术，目前已广泛应用于各个工程技术领域。混凝土裂缝扩展仿真作为计算机仿真技术在混凝土断裂性能研究中的具体应用，对于建筑、桥梁、水利等的工程设计和施工具有重要意义。

现有混凝土裂缝扩展仿真方法大多采用非线性迭代的方法，其一般流程为：计算等效荷载列阵→组装等效刚度矩阵→求解控制方程→计算各积分点应变→计算各积分点名义应力→修正各积分点当前弹性模量、本构矩阵→计算各积分点当前实际应力→判定各积分点应力状态→判定开裂点→对所有开裂点进行状态标记、应力释放、弹模修正等→计算不平衡力→重复以上步骤直至满足收敛标准。该迭代流程在处理混凝土开裂问题时，通常设定超出抗拉强度的积分点/单元应力不分前后、均标记开裂、进行应力释放的计算策略，该计算策略与混凝土实际开裂情况不吻合，导致计算结果与实际情况误差较大，更无法精确估算裂缝出现的位置、裂缝间距以及裂缝宽度等，因此不适用于对裂缝分布规律以及开裂全过程的精细化数值模拟。此外，目前常用的混凝土开裂模型有分离裂缝模型或弥散裂缝模型，分离裂缝模型将裂缝设置在单元边界上，一旦出现裂缝就调整模型单元网格，该模型概念清晰，可实现混凝土结构裂缝分布位置、裂缝宽度以及裂缝开展全过程仿真模拟。但在实际使用时，裂缝模拟过程复杂繁琐、需要不断调整网格，对计算机技术的要求较高，因而受到了诸多限制。弥散裂缝模型设定当单元某一特征代表点的应力超过了混凝土材料的抗拉强度，就认为单元开裂，裂缝分布于整个单元内部，裂缝既连续、微小且是彼此平行的。由于出现裂缝后只需对材料本构矩阵加以调整，不需要增加节点和重新划分单元，易于有限元程序实现，但该模型将裂缝弥散至整个单元，同样无法精确模拟混凝土裂缝出现、扩展全过程，获取结构裂缝宽度。

针对目前混凝土裂缝扩展仿真方法中存在的不足，需采用一种改进、优化的混凝土裂缝扩展模拟方法，以期更精确、合理地进行混凝土开裂精细化数值仿真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术对所有可能开裂积分点同时进行应力释放，从而导致的仿真结果与混凝土实际开裂情况误差较大的缺陷，提供一种混凝土裂缝扩展仿真方法，该方法对弥散裂缝模型进行了修正、完善，通过最可能开裂点的判定，进行开裂小迭代循环，确定混凝土裂缝出现、发展过程。该方法可精确反映混凝土裂缝出现、扩展全过程以及裂缝出现的精确范围。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种混凝土裂缝扩展仿真方法，包括根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点，并对可能开裂的积分点进行应力释放、刚度修正的过程；该过程按照以下步骤：

首先根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点；然后根据客户的关注要点从可能开裂的积分点中选择最可能开裂点；在保持其余积分点状态不变的同时，对最可能开裂点进行应力释放、刚度修正；进行位移、应力重分布，并再次判定最可能开裂点，直至没有新开裂点出现。

所述根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点是以各积分点的主拉应力、断裂能、损伤因子中的一种作为判定指标。本发明优选主拉应力作为判定指标，具体按照以下方法：

判断各积分点的主拉应力是否大于混凝土抗拉强度，如是，则判定该积分点为可能开裂的积分点。

所述选择最可能开裂的积分点可分别或综合参考主拉应力、断裂能、损伤变量以及材料强度等参数进行选择，本发明具体按照以下方法：

按照下式计算各可能开裂的积分点的开裂风险因子，并选择开裂风险因子的值最大的积分点为最可能开裂点，

Figure 2011100475793100002DEST_PATH_IMAGE001

式中，

为积分点开裂风险因子；

Figure 2011100475793100002DEST_PATH_IMAGE003

为积分点主拉应力，单位为MPa；

为积分点抗拉强度，单位为Mpa。

本发明的混凝土裂缝扩展仿真方法对现有的弥散裂缝模型进行了修正、完善，通过开裂积分点顺序的判定以及开裂方向的计算，可精确反映混凝土裂缝出现、扩展全过程以及裂缝出现的精确范围，既保留了弥散裂缝模型不需要重新划分网格、计算简便的优点，又克服了弥散裂缝模型与实际开裂情况不符的缺点。

附图说明

图1为本发明的混凝土裂缝扩展仿真方法的流程图；

图2为本发明所采用的总体刚度矩阵局部修正方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的混凝土裂缝扩展仿真方法，包括根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点，并对可能开裂的积分点进行应力释放、刚度修正的过程；该过程按照以下步骤：

在进行实际仿真时，详细的流程如附图1所示，按照以下各步骤：

步骤1、读入结构各积分点当前应力值；

步骤2、对所有积分点循环，根据主拉应力是否超过混凝土抗拉强度选出所有可能开裂的积分点(在选择开裂点时也可以选择断裂能或损伤因子等开裂判定指标)；

步骤3、根据客户的关注要点从可能开裂的积分点中选择最可能开裂点，可分别或综合参考主拉应力、断裂能、损伤变量以及材料强度等参数进行选择，本发明具体按照以下方法：

式中，

为积分点开裂风险因子；

为积分点主拉应力，单位为MPa；

为积分点抗拉强度，单位为Mpa；

步骤4、标记选择出的最可能开裂点；

步骤5、修正最可能开裂点的弹性模量，计算当前本构矩阵、释放开裂应力；

在本步骤中如采用传统的在迭代步中划分小迭代步，每小迭代步开裂点应力释放后需要重新计算各节点当前位移增量，则势必需重新组装总体刚度矩阵以及求解控制方程，大幅度增加有限元裂缝模拟计算时间。同时在各迭代步中不断累加的计算误差也可能导致迭代无法收敛，计算终止。因此本发明提出了总体刚度矩阵局部修正的方法以减少全面组装总体刚度矩阵所需工作量。总体刚度矩阵局部修正只计算最可能开裂点相关单元的上一迭代步单元刚度矩阵和本迭代步单元刚度矩阵，推算单元刚度矩阵的改变量，再按总体刚度矩阵指示矩阵对总体刚度矩阵进行局部修正，得到本迭代步当前总体刚度矩阵；其流程如附图2所示，具体按照以下各步骤：

步骤501、查找与最可能开裂点相关的单元，即包含最可能开裂点的单元，记为E_i (i=1,2……)；

步骤502、读取上一迭代步中E_i的弹性模量、泊松比，计算E_i单元上迭代步单元刚度矩阵；

步骤503、根据E_i单元当前的弹性模量、泊松比，计算E_i单元本迭代步单元刚度矩阵；

步骤504、得到本迭代步E_i单元刚度矩阵的改变量；

步骤505、由总体刚度指示矩阵，将步骤中得到的单元刚度矩阵的改变量迭代至总体刚度矩阵中；

步骤506、计算因积分点开裂所产生的应力释放值。

步骤6、保持其他超过抗拉强度的开裂点当前应力状态不做任何修正，进行开裂迭代小循环，具体步骤包括：

步骤601、计算应力释放后结构的当前不平衡力；

步骤602、求解结构控制方程组，得到结构当前位移增量；

步骤603、对单元循环，计算各积分点当前应变增量，应力增量；

步骤604、累加得到应变全量和应力全量；

步骤605、退出开裂小迭代小循环；

步骤7、判断是否有新开裂点出现，如是，则进入步骤8；如否，则仿真结束；

步骤8、判断当前开裂点是否为本迭代步的第101个开裂点，即总的开裂点数量ITE是否大于100，如是，则荷载减半，重新返回本荷载步计算；如否，则返回步骤1，继续开裂判定、开裂迭代。

Claims

1.一种混凝土裂缝扩展仿真方法，包括根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点，并对可能开裂的积分点进行应力释放、刚度修正的过程；其特征在于，该过程按照以下步骤：

2.如权利要求1所述混凝土裂缝扩展仿真方法，其特征在于，所述根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点是以各积分点的主拉应力、断裂能、损伤因子中的一种作为判定指标。

3.如权利要求2所述混凝土裂缝扩展仿真方法，其特征在于，所述根据各积分点应力状态判定可能开裂的积分点具体按照以下方法：

4.如权利要求1所述混凝土裂缝扩展仿真方法，其特征在于，所述选择最可能开裂的积分点具体按照以下方法：

式中，

为积分点开裂风险因子；

为积分点主拉应力，单位为MPa；

为积分点抗拉强度，单位为Mpa。

5.如权利要求1所述混凝土裂缝扩展仿真方法，其特征在于，所述在保持其余积分点状态不变的同时，对最可能开裂点进行应力释放、刚度修正，具体按照以下步骤：

步骤1、查找与最可能开裂点相关的单元，记为E_i (i=1,2……)；

步骤2、读取上一迭代步中E_i的弹性模量、泊松比，计算E_i单元上迭代步单元刚度矩阵；

步骤3、根据E_i单元当前的弹性模量、泊松比，计算E_i单元本迭代步单元刚度矩阵；

步骤4、得到本迭代步E_i单元刚度矩阵的改变量；

步骤5、由总体刚度指示矩阵，将步骤中得到的单元刚度矩阵的改变量迭代至总体刚度矩阵中；

步骤6、计算因积分点开裂所产生的应力释放值。