ADINA混凝土计算专题——如何实现收敛的参数设定建议

tangwx

　　混凝土模型主要包含两大类，一类是型钢砼组合模型，一类是纯粹的钢筋混凝土模型(普通钢筋混凝土模型或者预应力钢筋混凝土模型)，这两类模型我都做过一些简单的测试计算，也做过一些针对工程复杂节点的试验模拟计算。从说明问题的角度来说，越简单的模型其实越有说服力，比如简单的H型砼钢组合梁，钢筋混凝土梁，T型的框架梁柱节点，等等。由于纯粹的钢结构模型，其材料即使在大幅度流塑变形以后(没有撕裂之前)，也基本是连续介质材料，因此这一类模型对非线性计算没有什么大的考验，大多数CAE程序都能解决，在此不再赘述。就两类混凝土模型而言，由于混凝土开裂之后变为不连续材料，物理响应的震荡更大一些，非常容易导致计算发散问题，因此这个问题确实很困扰人。但目前就个人的使用体会而言，依据做的过算例，结合adina的计算结果以及收敛性来说，虽有些小小的不尽人意，但总体还不错，参数设置好之后，一般都能越过屈服位移之后继续3-6个滞回圈(视滞回增量不同，每一个滞回过程2-3个循环——可能和一般的循环加载规定有小的差异，主要是为了减少计算消耗)，所谓的“小小的不尽人意”主要针对纯粹的钢筋混凝土模型而言(这其实也是所有的非线性程序需要克服的地方)。以型钢混凝土模型来说，从结果来看，后期的滞回耗能主要靠钢结构部分提供耗散能力(和纯钢结构模型的滞回特征有一些相似性)，因此其计算收敛性更好，和钢筋混凝土模型相比，这可能是钢结构部分提供了较好的耗散能力所致，虽然混凝土开裂以后，非线性计算容易发散，但在出现由于数值原因或者物理原因导致的应变、应力震荡时，钢结构已经顺利完成“交班”工作，这很大程度上可能也提高了数值收敛性，而且，adina优异的非线性计算能力提供了一系列强制收敛的技术，这在一定程度克服了数值原因导致的发散问题(实际上绝大多数情况下，包含混凝土的模型不收敛主要原因是数值计算方法和参数模型所致，因此，视程序不同，各自的非线性能力对各种问题的适应性差异较大)。纯粹的钢筋混凝土模型，混凝土是提供模型主要刚度的因素，钢筋虽然能够提高模型的延性和总体承载力，但其能力和组合砼模型相比较就差得较远了。就adina程序而言，根据个人的一部分计算经验，其提高非线性收敛能力的影响参数主要包含一下几点(一时之间可能没有概括完)，贡献给大家：
　　1、adina独有的微动力阻尼系数对收敛性影响较大，这种技术将静力过程当做微动力过程来处理，通过设置合理的微动力阻尼系数(0.001-0.2)和对应的时间增量步(1-1000),可以显著加强收敛，但同时不会导致“假”的动力效应，产生错误数值震荡。
　　2、非协调元虽然精度较高(可以线性积分单元的形式获得高次多节点单元的精度)，但代价是收敛性变差，因此推荐采用协调元。
　　3、提高混凝土单元的积分阶次(2-4次)可以有效提高计算精度和收敛性，但速度有一定降低，3次或者以下速度降低不明显，同时，为了增加钢筋和混凝土单元的协调性，建议钢筋采用2次或者以上的单元(避免局部过“刚”导致的局部应力震荡问题影响收敛)。
　　4、采用稀疏矩阵算法或者多重网格法均有较高的收敛性和精度，具体选择什么算法，可以视计算规模和试验确定，一般情况下，多重网格法计算速度快一些，特别是模型较大的时候。
　　5、型钢和混凝土的连接通过刚性连杆约束或者约束方程都可以，一般把型钢或者钢筋节点设置为主节点。这样对精度和收敛性都有好处(有些时候可能还和两者的网格疏密有关，当然你也可以在分网时，让两者网格节点协调连续，但不具备操作性)
　　6、型钢或者钢筋与混凝土之间可以设置弹簧单元实现滑移模拟，但这个弹簧刚度多少呢，谁也不敢拍着胸口说。而且这种建模方式对复杂模型基本不具备操作性，偶尔做两根简单构件，算着玩，可以试试，当然对搞两篇豆腐块有一定的帮助。所以，快刀斩乱麻，这个东西就别考虑了(个人意见)，至少我现阶段不会考虑这个东西。
　　7、计算收敛容差虽然会导致精度变差，但我确实不知道对于高度非线性问题，0.05和0.001甚至0.1有什么明显的差异，建议这个参数适当放大，帮助收敛，收敛准则有限采用位移准则或者能量准则。
　　8、对于普通钢筋混凝土模型，不推荐采用rebar+弥散开裂模型的方式进行处理，从几个算例的分析比较来看(也有个别钢筋混凝土模型计算得非常不错)，rebar模式得到的滞回包络和混凝土的本构曲线类似，个人以为这是不正常的，至少没有反映出钢筋的贡献，推荐的方式还是钢筋骨架(beam)+弥散开裂模式的做法，这种方式实际上收敛性不如rebar方式，但其结果似乎合理一些。rebar模式出现类似混凝土本构的滞回特征，究其原因，个人以为，可能和程序对rebar的处理方式有关，也许，这种模式就只是把rebar当成了混凝土的增强纤维，也就是混凝土材料的一种“内部成分”，实际不是这样的，钢筋骨架的刚度贡献和强度贡献应该不算小(少筋构件除外)，基于这样的思路，也许采用梁单元模式处理钢筋可能更合适，而且梁单元形成的钢筋骨架具有稳定性，就计算收敛而言，应该比桁架单元更有优势。我曾经做过一个简单的钢筋混凝土模型在adina和midas中对比计算，由于midas本身的原因，比较两者弹性阶段的承载力结果非常吻合，包括挠度变形。
　　9、混凝土本构模型，很多人习惯采用单轴加载的混凝土本构模式，个人推荐采用循环加载模式下的本构模式，这种模式在压碎阶段的极限应变更大一些，对收敛性有一定帮助，具体可以参考相关的专业文献。至于钢筋或者钢材的材料本构，建议用MKIN或者BKIN就够了(混合模型是一个新模型，但在理论手册上没找到相关资料，有资料的朋友不妨贡献出来，谢谢了)，虽然很多人指出这两种模型有一些缺陷(似乎较粗)，但看了他们改进的模型，似乎精度提高也不大，同样个别时候存在着偏差很大的情况。况且，模型和试验的精度对比不能绝对以试验为依据，做过实验的人都知道，对于复杂模型，试验的加载条件和边界设置悬着呢，谁敢说试验就一定是标准和原则呢..........

　　个人意见，欢迎补充和指正!
　　附图是一些简单的计算案例的结果图片(算着玩，不针对任何工程实际，有兴趣做的朋友随便设计参数吧，反正是搞着玩)。单纯针对程序计算能力而言，结果还不错。




转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... voqJTLaqWeggPg8n#rd