本發(fā)明涉及一種纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

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(xù)的長(zhǎng)纖維而組成的一種復(fù)合材料。將纖維摻入混凝土后，纖維和混凝土基體粘結(jié)在一起，形成一個(gè)整體來(lái)共同承擔(dān)力的作用，而纖維具有抗拉強(qiáng)度高、極限延伸率大和耐腐蝕性優(yōu)良等特性，可以有效地阻礙混凝土中微裂縫和裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)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(xì)觀層面上帶有隨機(jī)分布的纖維混凝土模型，對(duì)其受力試驗(yàn)進(jìn)行模擬，可以研究不同纖維摻量時(shí)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和立方體受力過(guò)程中的應(yīng)力分布情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法，按照如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟S1：通過(guò)ANSYS有限元軟件模擬混凝土，且在建模過(guò)程中，考慮混凝土在開(kāi)裂后的應(yīng)力軟化行為，不考慮混凝土的大變形；

步驟S2：對(duì)纖維進(jìn)行建模；

步驟S3：對(duì)玄武巖纖維與混凝土之間的粘結(jié)和滑移進(jìn)行模擬；

步驟S4：設(shè)置混凝土和纖維的材料參數(shù)；

步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對(duì)應(yīng)的幾何模型；

步驟S6：采用掃略網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用select通過(guò)單元編號(hào)選擇纖維管單元，再用reselect在已選擇的管單元上選擇所有節(jié)點(diǎn)；然后利用select找到與管單元上節(jié)點(diǎn)最近的立方體單元節(jié)點(diǎn)，用E命令將對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)用彈簧單元連接；

步驟S7：對(duì)模型施加荷載及位移約束，對(duì)模型進(jìn)行求解。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述步驟S1中，采用ANSYS有限元軟件中的solid65實(shí)體單元對(duì)混凝土進(jìn)行建模；在solid65實(shí)體單元中將extra displacementshapes設(shè)置為exclude，將stress relax after cracking設(shè)置為include。

在本發(fā)明一實(shí)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(jī)分布纖維的兩端坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)命令流的形式輸入，建立關(guān)鍵點(diǎn)，再用命令將相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)連接建立數(shù)條線段以代表纖維。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S3中，通過(guò)combin39彈簧單元模擬玄武巖纖維與混凝土之間的粘結(jié)和滑移。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S3中，粘結(jié)滑移關(guān)系由拔出破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合的曲線計(jì)算獲取，且擬合的關(guān)系式為：

其中：τ—粘結(jié)應(yīng)力，MPa；

S—滑移量，mm。

在本發(fā)明一實(shí)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(shù)量取50根、100根或150根。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述S7中，在模型求解過(guò)程中，采用靜態(tài)分析，設(shè)置預(yù)計(jì)分析的子步數(shù)為50步；選擇自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，關(guān)閉自適應(yīng)下降，關(guān)閉混凝土的壓碎判斷功能。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出的一種纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法，采管單元模擬混凝土中的纖維，將表示隨機(jī)分布纖維的兩端坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)命令流的形式輸入來(lái)建立關(guān)鍵點(diǎn)，再用命令將相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)連接建立數(shù)條線段以代表纖維；選用彈簧單元來(lái)模擬纖維與混凝土之間的粘結(jié)和滑移，粘結(jié)滑移關(guān)系可由拔出破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合的曲線計(jì)算所得。所建立的有限元模型既簡(jiǎn)便又與實(shí)際情況相一致，其分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較十分接近，可以用來(lái)分析不同纖維摻量時(shí)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及立方體受力過(guò)程中的應(yīng)力分布情況。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中采用纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法建立的有限元模型示意圖。

圖2為本發(fā)明有限元模型計(jì)算所得不同纖維摻量的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

圖3(a)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.139mm時(shí)未摻纖維模型的剪應(yīng)力云圖。

圖3(b)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.139mm時(shí)纖維根數(shù)為50模型的剪應(yīng)力云圖。

圖3(c)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.139mm時(shí)纖維根數(shù)為100模型的剪應(yīng)力云圖。

圖3(d)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.139mm時(shí)纖維根數(shù)為150模型的剪應(yīng)力云圖。

圖4(a)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.278mm時(shí)未摻纖維模型的剪應(yīng)力云圖。

圖4(b)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.278mm時(shí)纖維根數(shù)為50模型的剪應(yīng)力云圖。

圖4(c)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.278mm時(shí)纖維根數(shù)為100模型的剪應(yīng)力云圖。

圖4(d)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.278mm時(shí)纖維根數(shù)為150模型的剪應(yīng)力云圖。

圖5(a)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.417mm時(shí)未摻纖維模型的剪應(yīng)力云圖。

圖5(b)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.417mm時(shí)纖維根數(shù)為50模型的剪應(yīng)力云圖。

圖5(c)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.417mm時(shí)纖維根數(shù)為100模型的剪應(yīng)力云圖。

圖5(d)為本發(fā)明一實(shí)施例中位移荷載為0.417mm時(shí)纖維根數(shù)為150模型的剪應(yīng)力云圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種纖維混凝土有限元模型的構(gòu)建方法，在本實(shí)施例中，包括以下步驟：

步驟S1：利用ANSYS有限元軟件中的solid65實(shí)體單元來(lái)模擬混凝土,在該單元的選項(xiàng)中將extra displacement shapes勾選為exclude，將stress relax after cracking選為include,即不考慮混凝土的大變形但需考慮混凝土在開(kāi)裂后的應(yīng)力軟化行為；

步驟S2：采用管單元pipe289模擬纖維，將表示隨機(jī)分布纖維的兩端坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)命令流的形式輸入來(lái)建立關(guān)鍵點(diǎn)，再用命令將相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)連接建立數(shù)條線段以代表纖維；

步驟S3：選用combin39彈簧單元來(lái)模擬玄武巖纖維與混凝土之間的粘結(jié)和滑移，粘結(jié)滑移關(guān)系由拔出破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合的曲線計(jì)算可得：

擬合的關(guān)系式為：

式中：τ—粘結(jié)應(yīng)力(MPa)；

S—滑移量(mm)。

步驟S4：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義混凝土和纖維的材料參數(shù)；

步驟S5：建立纖維混凝土立方體試塊對(duì)應(yīng)的幾何模型，150mm×150mm×150mm的立方體，纖維的數(shù)量可取50根、100根或150根。

步驟S6：采用掃略網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再利用select通過(guò)單元編號(hào)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(jié)點(diǎn)；之后，利用select找到與管單元上節(jié)點(diǎn)最近的立方體單元節(jié)點(diǎn)，用E命令將對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)用彈簧單元連接。

步驟S7：對(duì)模型施加的荷載及位移約束，隨后即可對(duì)模型進(jìn)行求解。

如圖1所示，為通過(guò)上述步驟建立的模型圖。

進(jìn)一步的，步驟S7中模型求解，可采用靜態(tài)分析(static),設(shè)置預(yù)計(jì)分析的子步數(shù)為50步。選擇自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，關(guān)閉自適應(yīng)下降(因不考慮應(yīng)力的重分配)，關(guān)閉混凝土的壓碎判斷功能，以獲得較好的收斂性。

進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，纖維選用玄武巖短切纖維?；炷恋膹椥阅Ａ繛?.6×104MPa，泊松比為0.2。將C60混凝土塑性階段的本構(gòu)關(guān)系輸入模型之中；定義纖維的本構(gòu)關(guān)系時(shí)只需要考慮其彈性階段，參數(shù)包括玄武巖纖維的彈性模量(100GPa)和泊松比(0.2)；纖維根數(shù)選擇為0，50根，100根，150根。

進(jìn)一步的，將C60強(qiáng)度的纖維混凝土有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，初始階段(線性階段)幾條曲線基本上重合，反映了纖維的摻加與否及摻量大小對(duì)該階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并無(wú)較大影響。之后材料進(jìn)入塑性階段(非線性階段)，摻有纖維的曲線開(kāi)始與理論計(jì)算得到的曲線發(fā)生偏離，逐漸高出理論值，且隨著纖維摻量的增大，這種提高的作用愈顯著，說(shuō)明該階段纖維開(kāi)始分擔(dān)受力作用，混凝土的變形越大，纖維承擔(dān)的也越多，起到了增強(qiáng)作用。強(qiáng)度達(dá)到峰值后，隨著纖維摻量的增大，曲線下降的趨勢(shì)逐漸變緩，說(shuō)明纖維對(duì)裂縫的抑制作用隨著纖維數(shù)量的增多而不斷加強(qiáng)。由曲線上的具體數(shù)值可得，纖維根數(shù)為50、100和150的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高了7.5％、13.5％、18.5％，最大提高了7.4MPa。

為了考察纖維摻量對(duì)外力作用下混凝土剪應(yīng)力分布的影響，將不同受力階段的混凝土的剪應(yīng)力云圖進(jìn)行比對(duì)。圖3(a)～圖3(d)，圖4(a)～圖4(d)，圖5(a)～圖5(d)即不同模型在位移荷載步為0.139mm、0.278mm、0.417mm時(shí)，未摻纖維以及纖維根數(shù)為50、100和150對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力云圖。

從圖3(a)～圖3(d)可以看出，在位移荷載加至0.139mm時(shí)混凝土中應(yīng)力大小分布相對(duì)均勻，并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中情況，纖維的摻入沒(méi)有對(duì)應(yīng)力云圖產(chǎn)生較大影響。

對(duì)比圖4(a)～圖4(d)中不同模型的應(yīng)力云圖可得，位移荷載為0.278mm時(shí)，混凝土中邊角處開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，而在纖維混凝土的模型中并沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，說(shuō)明混凝土中的纖維分散了基體中的應(yīng)力。

圖5(a)～圖5(d)中顯示的是位移荷載為0.417mm時(shí)各模型的剪應(yīng)力云圖，混凝土中的應(yīng)力集中區(qū)域明顯擴(kuò)大，纖維混凝土的剪應(yīng)力雖然普遍也有增加但應(yīng)力集中區(qū)域相對(duì)較小，甚至幾乎沒(méi)有，且隨著纖維根數(shù)的增大，對(duì)剪應(yīng)力的分散效果也越顯著。以上不同受力階段，纖維對(duì)剪應(yīng)力分布的影響與其對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響基本一致。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。