对于钢筋混泥土的建模方法,一直是一个难点。在Workbench 19版本之前,通过插入命令流方式设置Solid65单元。但是在Workbnech 20版本之后,不再支持一些老单元的调用,Solid65自然也不能在WB中使用了,但是可以直接通过Solid185/186单元直接模拟混凝土。
创建钢筋混凝土模型有几种思路。
全实体建模:大家最容易想到的思路是在混凝土中挖空填充钢筋实体模型,然后通过实体单元的共节点或绑定接触建立钢筋与混凝土的关系,但是这种建模方式太费力,光是想想都会头痛。
实体+杆梁耦合建模:很多工程师使用实体单元模拟混凝土(不挖空),用杆/梁单元模拟钢筋,在WB中使用绑定方法让两种单元强制接触。这种办法也是B站很多UP主使用的办法。但是这个办法有一个缺陷,就是梁与实体的绑定接触必须设置接触球半径,设置太小容易接触失败无法计算,设置太大可能造成结果不准确,设置为多大没有文献可以参考。
加强筋建模方法:CAD建模过程与实体+杆梁耦合建模相同,即将混泥土创建为实体(不挖空),钢筋创建为梁单元。在WB-Mechanical中将所有梁单元设置为强化(reinforcement),此时梁单元便转换为了REINF264加强筋单元,钢筋与混凝土之间无需设置绑定便可计算。这一改进大大减化了工程师的操作难度,这也是官方推荐的方法。
实体单元中穿插的REINF264单元如下示意图。此方法也并不是没有缺点,比如无法查看钢筋的计算结果。
此外,如果计算类型是显式动力学分析,无需通过几何处理,直接通过接触中的定义,也可以定义加强筋的接触关系。
本文通过一个简单的例子来进行建模与分析。
Step1 创建模型。
创建WB静力学项目。
先在Spaceclaim中创建钢筋模型包括4根2000mm长,直径20mm的主筋,和间隔100mm的直径未10mm的箍筋。
抽取所有钢筋轴线,如果发现箍梁转折处有间隙或交叉,只需要通过SCDM准备标签下的连接工具处理一下便可。
再创建包围钢筋的2100x280x280的混凝土。
Step2 材料设置。
本文仅演示线性计算。进入WB材料库,添加一般材料——混凝土。
进入Mechanical,给长块赋予混凝土材料,其余默认结构钢。
将所有钢筋设置为加强模式(即加强筋)。
Step3 接触关系。
实际工程中,主筋与箍筋是用钢丝或焊接方法绑定在一起的,所以创建主筋与箍筋紧之间的绑定接触,接触球半径必须大于两者梁线的垂直距离。
这里需要注意,不创建此处绑定也能准确计算,是因为浇灌混凝土后,主筋与箍筋都耦合到了实体单元上,但是作者还是推荐进行此步设置(满足现实工程的逻辑)。
Step4 网格划分。
将所有模型划分为80mm的网格。
Step5 边界条件。
固定一端,另一端施加1000N横向力。
Step6 求解。
在结果中插入总变形,等效应力等。求解如下图。
说明:本文仅仅是简单计算,如果要进行钢筋混凝土的开裂等非线性计算,应该使用屈服准则(如Menetrey WIllam Concrete或Pruckpe-Prager Concrete)+软化准则(如HSD2或HSD6)等本构。由于图惜不是做土木工程的,对这方面知之甚少,所以本文仅仅是抛砖引玉,敬请批评指正。
祝万事顺遂。