一种纤维混凝土有限元模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，利用ANSYS有限元分析软件建立细观层面上带有随机分布的玄武岩纤维且考虑纤维与混凝土界面粘结滑移的混凝土有限元模型；纤维混凝土模型中采用分离式方式分别建立纤维和混凝土的模型单元，引入弹簧单元将纤维和混凝土的模型进行组合；采用solid65实体单元来模拟混凝土，不考虑混凝土的大变形但需考虑混凝土在开裂后的应力软化行为；纤维采用管单元pipe289来对其进行模拟，将表示随机分布纤维的两端坐标数据通过命令流的形式输入来建立关键点，用命令将相应的关键点连接建立数条线段以代表纤维。本发明专利技术所构建的模型可以为纤维混凝土的应力‑应变曲线和受压过程中的应力分布情况研究提供实用有效的分析模型。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维混凝土有限元模型的构建方法
本专利技术涉及一种纤维混凝土有限元模型的构建方法。
技术介绍
纤维混凝土是在素混凝土基体中掺入均匀分散的短纤维或是连续的长纤维而组成的一种复合材料。将纤维掺入混凝土后，纤维和混凝土基体粘结在一起，形成一个整体来共同承担力的作用，而纤维具有抗拉强度高、极限延伸率大和耐腐蚀性优良等特性，可以有效地阻碍混凝土中微裂缝和裂缝的产生及扩展，从而显著地提高了混凝土的韧性和延性。利用ANSYS有限元分析软件建立细观层面上带有随机分布的纤维混凝土模型，对其受力试验进行模拟，可以研究不同纤维掺量时混凝土的应力-应变曲线和立方体受力过程中的应力分布情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，按照如下步骤实现：步骤S1：通过ANSYS有限元软件模拟混凝土，且在建模过程中，考虑混凝土在开裂后的应力软化行为，不考虑混凝土的大变形；步骤S2：对纤维进行建模；步骤S3：对玄武岩纤维与混凝土之间的粘结和滑移进行模拟；步骤S4：设置混凝土和纤维的材料参数；步骤S5：建立纤维混凝土立方体试块对应的几何模型；步骤S6：采用扫略网格的方式进行网格划分，利用select通过单元编号选择纤维管单元，再用reselect在已选择的管单元上选择所有节点；然后利用select找到与管单元上节点最近的立方体单元节点，用E命令将对应的两点用弹簧单元连接；步骤S7：对模型施加荷载及位移约束，对模型进行求解。在本专利技术一实施例中，所述步骤S1中，采用ANSYS有限元软件中的solid65实体单元对混凝土进行建模；在solid65实体单元中将extradisplacementshapes设置为exclude，将stressrelaxaftercracking设置为include。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S2中，采用管单元pipe289模拟纤维，将表示随机分布纤维的两端坐标数据通过命令流的形式输入，建立关键点，再用命令将相应的关键点连接建立数条线段以代表纤维。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S3中，通过combin39弹簧单元模拟玄武岩纤维与混凝土之间的粘结和滑移。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S3中，粘结滑移关系由拔出破坏的试验数据所拟合的曲线计算获取，且拟合的关系式为：其中：τ—粘结应力，MPa；S—滑移量，mm。在本专利技术一实施例中，在所述步骤S5中，所述几何模型为150mm×150mm×150mm的立方体，纤维的数量取50根、100根或150根。在本专利技术一实施例中，在所述S7中，在模型求解过程中，采用静态分析，设置预计分析的子步数为50步；选择自动时间步长，关闭自适应下降，关闭混凝土的压碎判断功能。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出的一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，采管单元模拟混凝土中的纤维，将表示随机分布纤维的两端坐标数据通过命令流的形式输入来建立关键点，再用命令将相应的关键点连接建立数条线段以代表纤维；选用弹簧单元来模拟纤维与混凝土之间的粘结和滑移，粘结滑移关系可由拔出破坏的试验数据所拟合的曲线计算所得。所建立的有限元模型既简便又与实际情况相一致，其分析结果与试验数据相比较十分接近，可以用来分析不同纤维掺量时混凝土的应力-应变曲线及立方体受力过程中的应力分布情况。附图说明图1为本专利技术中采用纤维混凝土有限元模型的构建方法建立的有限元模型示意图。图2为本专利技术有限元模型计算所得不同纤维掺量的混凝土的应力应变曲线图。图3(a)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.139mm时未掺纤维模型的剪应力云图。图3(b)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.139mm时纤维根数为50模型的剪应力云图。图3(c)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.139mm时纤维根数为100模型的剪应力云图。图3(d)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.139mm时纤维根数为150模型的剪应力云图。图4(a)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.278mm时未掺纤维模型的剪应力云图。图4(b)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.278mm时纤维根数为50模型的剪应力云图。图4(c)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.278mm时纤维根数为100模型的剪应力云图。图4(d)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.278mm时纤维根数为150模型的剪应力云图。图5(a)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.417mm时未掺纤维模型的剪应力云图。图5(b)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.417mm时纤维根数为50模型的剪应力云图。图5(c)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.417mm时纤维根数为100模型的剪应力云图。图5(d)为本专利技术一实施例中位移荷载为0.417mm时纤维根数为150模型的剪应力云图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，在本实施例中，包括以下步骤：步骤S1：利用ANSYS有限元软件中的solid65实体单元来模拟混凝土,在该单元的选项中将extradisplacementshapes勾选为exclude，将stressrelaxaftercracking选为include,即不考虑混凝土的大变形但需考虑混凝土在开裂后的应力软化行为；步骤S2：采用管单元pipe289模拟纤维，将表示随机分布纤维的两端坐标数据通过命令流的形式输入来建立关键点，再用命令将相应的关键点连接建立数条线段以代表纤维；步骤S3：选用combin39弹簧单元来模拟玄武岩纤维与混凝土之间的粘结和滑移，粘结滑移关系由拔出破坏的试验数据所拟合的曲线计算可得：拟合的关系式为：式中：τ—粘结应力(MPa)；S—滑移量(mm)。步骤S4：根据实验数据定义混凝土和纤维的材料参数；步骤S5：建立纤维混凝土立方体试块对应的几何模型，150mm×150mm×150mm的立方体，纤维的数量可取50根、100根或150根。步骤S6：采用扫略网格的方式进行网格划分，再利用select通过单元编号选择纤维管单元，然后再用reselect在已选择的管单元上选择所有节点；之后，利用select找到与管单元上节点最近的立方体单元节点，用E命令将对应的两点用弹簧单元连接。步骤S7：对模型施加的荷载及位移约束，随后即可对模型进行求解。如图1所示，为通过上述步骤建立的模型图。进一步的，步骤S7中模型求解，可采用静态分析(static),设置预计分析的子步数为50步。选择自动时间步长，关闭自适应下降(因不考虑应力的重分配)，关闭混凝土的压碎判断功能，以获得较好的收敛性。进一步的，在本实施例中，混凝土强度等级为C60，纤维选用玄武岩短切纤维。混凝土的弹性模量为3.6×104MPa，泊松比为0.2。将C60混凝土塑性阶段的本构关系输入模型之中；定义纤维的本构关系时只需要考虑其弹性阶段，参数包括玄武岩纤维的弹性模量(100GPa)和泊松比(0.2)；纤维根数选择为0，50根，100根，150根。进一步的，将C60强度的纤维混凝土有限元计算结果进行比较，比较结果如图2所示。图2中的各条曲线分别代表了有限元模拟出的不同纤维掺量下的应力应变关系，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤S1：通过ANSYS有限元软件模拟混凝土，且在建模过程中，考虑混凝土在开裂后的应力软化行为，不考虑混凝土的大变形；步骤S2：对纤维进行建模；步骤S3：对玄武岩纤维与混凝土之间的粘结和滑移进行模拟；步骤S4：设置混凝土和纤维的材料参数；步骤S5：建立纤维混凝土立方体试块对应的几何模型；步骤S6：采用扫略网格的方式进行网格划分，利用select通过单元编号选择纤维管单元，再用reselect在已选择的管单元上选择所有节点；然后利用select找到与管单元上节点最近的立方体单元节点，用E命令将对应的两点用弹簧单元连接；步骤S7：对模型施加荷载及位移约束，对模型进行求解。

【技术特征摘要】
1.一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤S1：通过ANSYS有限元软件模拟混凝土，且在建模过程中，考虑混凝土在开裂后的应力软化行为，不考虑混凝土的大变形；步骤S2：对纤维进行建模；步骤S3：对玄武岩纤维与混凝土之间的粘结和滑移进行模拟；步骤S4：设置混凝土和纤维的材料参数；步骤S5：建立纤维混凝土立方体试块对应的几何模型；步骤S6：采用扫略网格的方式进行网格划分，利用select通过单元编号选择纤维管单元，再用reselect在已选择的管单元上选择所有节点；然后利用select找到与管单元上节点最近的立方体单元节点，用E命令将对应的两点用弹簧单元连接；步骤S7：对模型施加荷载及位移约束，对模型进行求解。2.根据权利要求1所述的一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用ANSYS有限元软件中的solid65实体单元对混凝土进行建模；在solid65实体单元中将extradisplacementshapes设置为exclude，将stressrelaxaftercracking设置为include。3.根据权利要求1所述的一种纤维混凝土有限元模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用管单元pipe289模拟纤维，将表示随机分布纤维的两端坐标数据通过命令流的形式输入，建立关键点，再用命令将相应的关键点连接建立数条线段以代表纤维。4.根据权利要求1所述的一种纤维混凝土有限元模型的构建方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈峰，
申请(专利权)人：福建江夏学院，
类型：发明
国别省市：福建,35