一種纖維混凝土有限元模型的構建方法技術

本發明專利技術涉及一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，利用ANSYS有限元分析軟件建立細觀層面上帶有隨機分布的玄武巖纖維且考慮纖維與混凝土界面粘結滑移的混凝土有限元模型；纖維混凝土模型中采用分離式方式分別建立纖維和混凝土的模型單元，引入彈簧單元將纖維和混凝土的模型進行組合；采用solid65實體單元來模擬混凝土，不考慮混凝土的大變形但需考慮混凝土在開裂后的應力軟化行為；纖維采用管單元pipe289來對其進行模擬，將表示隨機分布纖維的兩端坐標數據通過命令流的形式輸入來建立關鍵點，用命令將相應的關鍵點連接建立數條線段以代表纖維。本發明專利技術所構建的模型可以為纖維混凝土的應力?應變曲線和受壓過程中的應力分布情況研究提供實用有效的分析模型。

Construction method of fiber concrete finite element model

The invention relates to a construction method of fiber reinforced concrete finite element model, using finite element analysis software ANSYS to establish the meso level of basalt fiber with random distribution and finite element model of concrete and fiber concrete interface bond slip model; unit model of fiber concrete by means of separation mode were established and fiber concrete, the spring unit of fiber and concrete combination model; using SOLID65 to simulate the concrete solid element, without considering the large deformation of concrete cracking in concrete but the need to consider the stress softening behavior; the fiber tube unit pipe289 was used to simulate the coordinate data, said both ends of randomly distributed fibers by command flow form input a key point, with the key points of the corresponding command line connection number to represent the fiber. The invention of the model for fiber reinforced concrete should provide a practical analytical model for effective distribution of stress and strain curve in compression process.

【技術實現步驟摘要】
一種纖維混凝土有限元模型的構建方法
本專利技術涉及一種纖維混凝土有限元模型的構建方法。
技術介紹
纖維混凝土是在素混凝土基體中摻入均勻分散的短纖維或是連續的長纖維而組成的一種復合材料。將纖維摻入混凝土后，纖維和混凝土基體粘結在一起，形成一個整體來共同承擔力的作用，而纖維具有抗拉強度高、極限延伸率大和耐腐蝕性優良等特性，可以有效地阻礙混凝土中微裂縫和裂縫的產生及擴展，從而顯著地提高了混凝土的韌性和延性。利用ANSYS有限元分析軟件建立細觀層面上帶有隨機分布的纖維混凝土模型，對其受力試驗進行模擬，可以研究不同纖維摻量時混凝土的應力-應變曲線和立方體受力過程中的應力分布情況。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，以克服現有技術中存在的缺陷。為實現上述目的，本專利技術的技術方案是：一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，按照如下步驟實現：步驟S1：通過ANSYS有限元軟件模擬混凝土，且在建模過程中，考慮混凝土在開裂后的應力軟化行為，不考慮混凝土的大變形；步驟S2：對纖維進行建模；步驟S3：對玄武巖纖維與混凝土之間的粘結和滑移進行模擬；步驟S4：設置混凝土和纖維的材料參數；步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對應的幾何模型；步驟S6：采用掃略網格的方式進行網格劃分，利用select通過單元編號選擇纖維管單元，再用reselect在已選擇的管單元上選擇所有節點；然后利用select找到與管單元上節點最近的立方體單元節點，用E命令將對應的兩點用彈簧單元連接；步驟S7：對模型施加荷載及位移約束，對模型進行求解。在本專利技術一實施例中，所述步驟S1中，采用ANSYS有限元軟件中的solid65實體單元對混凝土進行建模；在solid65實體單元中將extradisplacementshapes設置為exclude，將stressrelaxaftercracking設置為include。在本專利技術一實施例中，在所述步驟S2中，采用管單元pipe289模擬纖維，將表示隨機分布纖維的兩端坐標數據通過命令流的形式輸入，建立關鍵點，再用命令將相應的關鍵點連接建立數條線段以代表纖維。在本專利技術一實施例中，在所述步驟S3中，通過combin39彈簧單元模擬玄武巖纖維與混凝土之間的粘結和滑移。在本專利技術一實施例中，在所述步驟S3中，粘結滑移關系由拔出破壞的試驗數據所擬合的曲線計算獲取，且擬合的關系式為：其中：τ—粘結應力，MPa；S—滑移量，mm。在本專利技術一實施例中，在所述步驟S5中，所述幾何模型為150mm×150mm×150mm的立方體，纖維的數量取50根、100根或150根。在本專利技術一實施例中，在所述S7中，在模型求解過程中，采用靜態分析，設置預計分析的子步數為50步；選擇自動時間步長，關閉自適應下降，關閉混凝土的壓碎判斷功能。相較于現有技術，本專利技術具有以下有益效果：本專利技術提出的一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，采管單元模擬混凝土中的纖維，將表示隨機分布纖維的兩端坐標數據通過命令流的形式輸入來建立關鍵點，再用命令將相應的關鍵點連接建立數條線段以代表纖維；選用彈簧單元來模擬纖維與混凝土之間的粘結和滑移，粘結滑移關系可由拔出破壞的試驗數據所擬合的曲線計算所得。所建立的有限元模型既簡便又與實際情況相一致，其分析結果與試驗數據相比較十分接近，可以用來分析不同纖維摻量時混凝土的應力-應變曲線及立方體受力過程中的應力分布情況。附圖說明圖1為本專利技術中采用纖維混凝土有限元模型的構建方法建立的有限元模型示意圖。圖2為本專利技術有限元模型計算所得不同纖維摻量的混凝土的應力應變曲線圖。圖3(a)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.139mm時未摻纖維模型的剪應力云圖。圖3(b)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.139mm時纖維根數為50模型的剪應力云圖。圖3(c)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.139mm時纖維根數為100模型的剪應力云圖。圖3(d)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.139mm時纖維根數為150模型的剪應力云圖。圖4(a)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.278mm時未摻纖維模型的剪應力云圖。圖4(b)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.278mm時纖維根數為50模型的剪應力云圖。圖4(c)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.278mm時纖維根數為100模型的剪應力云圖。圖4(d)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.278mm時纖維根數為150模型的剪應力云圖。圖5(a)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.417mm時未摻纖維模型的剪應力云圖。圖5(b)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.417mm時纖維根數為50模型的剪應力云圖。圖5(c)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.417mm時纖維根數為100模型的剪應力云圖。圖5(d)為本專利技術一實施例中位移荷載為0.417mm時纖維根數為150模型的剪應力云圖。具體實施方式下面結合附圖，對本專利技術的技術方案進行具體說明。本專利技術提供一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，在本實施例中，包括以下步驟：步驟S1：利用ANSYS有限元軟件中的solid65實體單元來模擬混凝土,在該單元的選項中將extradisplacementshapes勾選為exclude，將stressrelaxaftercracking選為include,即不考慮混凝土的大變形但需考慮混凝土在開裂后的應力軟化行為；步驟S2：采用管單元pipe289模擬纖維，將表示隨機分布纖維的兩端坐標數據通過命令流的形式輸入來建立關鍵點，再用命令將相應的關鍵點連接建立數條線段以代表纖維；步驟S3：選用combin39彈簧單元來模擬玄武巖纖維與混凝土之間的粘結和滑移，粘結滑移關系由拔出破壞的試驗數據所擬合的曲線計算可得：擬合的關系式為：式中：τ—粘結應力(MPa)；S—滑移量(mm)。步驟S4：根據實驗數據定義混凝土和纖維的材料參數；步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對應的幾何模型，150mm×150mm×150mm的立方體，纖維的數量可取50根、100根或150根。步驟S6：采用掃略網格的方式進行網格劃分，再利用select通過單元編號選擇纖維管單元，然后再用reselect在已選擇的管單元上選擇所有節點；之后，利用select找到與管單元上節點最近的立方體單元節點，用E命令將對應的兩點用彈簧單元連接。步驟S7：對模型施加的荷載及位移約束，隨后即可對模型進行求解。如圖1所示，為通過上述步驟建立的模型圖。進一步的，步驟S7中模型求解，可采用靜態分析(static),設置預計分析的子步數為50步。選擇自動時間步長，關閉自適應下降(因不考慮應力的重分配)，關閉混凝土的壓碎判斷功能，以獲得較好的收斂性。進一步的，在本實施例中，混凝土強度等級為C60，纖維選用玄武巖短切纖維。混凝土的彈性模量為3.6×104MPa，泊松比為0.2。將C60混凝土塑性階段的本構關系輸入模型之中；定義纖維的本構關系時只需要考慮其彈性階段，參數包括玄武巖纖維的彈性模量(100GPa)和泊松比(0.2)；纖維根數選擇為0，50根，100根，150根。進一步的，將C60強度的纖維混凝土有限元計算結果進行比較，比較結果如圖2所示。圖2中的各條曲線分別代表了有限元模擬出的不同纖維摻量下的應力應變關系，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，其特征在于，步驟S1：通過ANSYS有限元軟件模擬混凝土，且在建模過程中，考慮混凝土在開裂后的應力軟化行為，不考慮混凝土的大變形；步驟S2：對纖維進行建模；步驟S3：對玄武巖纖維與混凝土之間的粘結和滑移進行模擬；步驟S4：設置混凝土和纖維的材料參數；步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對應的幾何模型；步驟S6：采用掃略網格的方式進行網格劃分，利用select通過單元編號選擇纖維管單元，再用reselect在已選擇的管單元上選擇所有節點；然后利用select找到與管單元上節點最近的立方體單元節點，用E命令將對應的兩點用彈簧單元連接；步驟S7：對模型施加荷載及位移約束，對模型進行求解。

【技術特征摘要】
1.一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，其特征在于，步驟S1：通過ANSYS有限元軟件模擬混凝土，且在建模過程中，考慮混凝土在開裂后的應力軟化行為，不考慮混凝土的大變形；步驟S2：對纖維進行建模；步驟S3：對玄武巖纖維與混凝土之間的粘結和滑移進行模擬；步驟S4：設置混凝土和纖維的材料參數；步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對應的幾何模型；步驟S6：采用掃略網格的方式進行網格劃分，利用select通過單元編號選擇纖維管單元，再用reselect在已選擇的管單元上選擇所有節點；然后利用select找到與管單元上節點最近的立方體單元節點，用E命令將對應的兩點用彈簧單元連接；步驟S7：對模型施加荷載及位移約束，對模型進行求解。2.根據權利要求1所述的一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，其特征在于，在所述步驟S1中，采用ANSYS有限元軟件中的solid65實體單元對混凝土進行建模；在solid65實體單元中將extradisplacementshapes設置為exclude，將stressrelaxaftercracking設置為include。3.根據權利要求1所述的一種纖維混凝土有限元模型的構建方法，其特征在于，在所述步驟S2中，采用管單元pipe289模擬纖維，將表示隨機分布纖維的兩端坐標數據通過命令流的形式輸入，建立關鍵點，再用命令將相應的關鍵點連接建立數條線段以代表纖維。4.根據權利要求1所述的一種纖維混凝土有限元模型的構建方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳峰，
申請(專利權)人：福建江夏學院，
類型：發明
國別省市：福建,35