Подходы к моделированию армированного бетона

Походы к моделированию армированного бетона

Здравствуйте, уважаемые читатели! Волею судеб, я подготовил для вас небольшой обзор подходов к моделированию армированного бетона. Что характерно, речь пойдет не про CivilFEM (ему бы отдельную статью и не одну) и в математику моделей материалов я погружаться также пока не буду (опять же несколько отдельная история). О чем же тогда пойдет речь? Поговорим о разнообразии конечных элементов и поддерживаемых ими моделях материалов – несколько разных подходов к моделированию конструкций из армированного бетона.  

В продуктах ANSYS существует несколько вариантов создания модели железобетонной конструкции, которые можно разделить на две группы, согласно используемому типу элемента: SOLID 65 и SOLID185/186.

Рисунок 1. Геометрия элемента Solid 65

 

Рисунок 2. Геометрия элемента Solid 185

 

Элемент Solid 65

Элемент Solid 65 – это специализированный элемент, созданный для моделирования бетона (как с армированием, так и без). Данный элемент является «legacy» элементом, т.е. устаревшим и вместо него предлагается пользоваться более современными Solid 185/187. Более того, существует возможность, что рано или поздно он будет удален из программы в одной из будущих версий.   Тем не менее Solid 65 по-прежнему любим и востребован в среде профессионалов благодаря накопленному опыту и специфическому графику трещин PLCRACK.

Solid 65 поддерживает некоторое количество моделей материала (меньшее, чем 185), среди которых к моделированию бетона имеет отношение в первую очередь модель материала Concrete.

Рисунок 3. Отображение графика развития трещин PLCRACK для элемента Solid 65 в среде Workbench Mechanical

На данный момент общедоступных инструментов интерфейса для использования элемента Solid 65 в ANSYS Workbench Mechanical не предусмотрено. И сам элемент, и модель материала Concrete и уникальный для данного метода график трещин PLCRACK требуют либо использования командных вставок на языке APDL, либо классического интерфейса MAPDL.

Рисунок 4. Пример командной вставки, задающей тип элемента Solid 65 и модель материала concrete

Рисунок 5. Пример командной вставки, создающей изображение графика развития трещин из интерфейса MAPDL.

На рисунке 5 изображена командная вставка для построения графика развития трещин:

• Первый блок команд служит для установления требуемого вида.
• Цикл Do используется для вывода множества графиков – по одному на каждые 10 подшагов.

Работая с элементом Solid 65, вы также имеете на выбор несколько способов моделирования армирования. Наиболее логичен и интуитивно понятен дискретный способ создания арматуры на основе ее геометрии:

• Геометрия армирования создается в явном виде (тела линии) вместе с геометрией бетона
• В качестве элементов сетки подойдут любые балочные элементы (Beam 188, Link 180 и т. д.). Link 180 можно назначить только при помощи командной вставки.
• Важным условием является связь между элементами арматуры и бетона. Наиболее простое, но вычислительно затратное решение – задание контакта. Несколько сложнее, но гораздо более эффективно – добиться конформной сетки между бетоном и армированием (можно использовать инструменты Designmodeler и Mechanical, или можно воспользоваться coupling командной CPINTF)

Также настройки ключевых опций (keyopt) и реальных констант (real constant) элемента solid 65 позволяют реализовать метод «размазанного» армирования. Тут геометрия армирования заменяется заданием телу эквивалентных свойств материала.

Рисунок 6. Пример командной вставки, задающей тип элемента Link 180 и модель материала с мультилинейным изотропным упрочнением. При работе с элементом Beam 188 данная вставка не потребуется.

Рисунок 7. Пример командной вставки, задающей связь бетона и арматуры

Рисунок 8. Пример модели балки с дискретным армированием. Арматура (вынесена ниже) задана элементами Link 180, связанными общими узлами с сеткой бетона.

Рисунок 9. Пример модели балки с «размазанным» армированием. Арматура в верхнем и нижнем телах задана эквивалентными свойствами при помощи настроек элемента Solid 65.

Элементы Solid 185/186

Элемент Solid 185 является элементом текущего поколения, пригодным для решения огромного количества разнообразных задач. В числе прочего его также можно использовать и для моделирования железобетонных конструкций. Данный элемент поддерживает подавляющее большинство моделей материалов, включая некоторые модели поведения бетона, такие как Drucker-Prager concrete, Microplane, Jointed rock, Mohr-Coulomb и т .д. (полный перечень вы сможете найти в документации help). Начиная с версии 17.0 модели Drucker-Prager, Jointed rock  и Mohr-Coulomb можно задать через Engineering Data. Microplane по-прежнему требует командной вставки.

Рисунок 10. Пример задания модели Microplane

Рисунок 11. Некоторые модели материала в Engineering Data

Элемент Solid 185 позволяет выводить ряд специфических результатов для моделей из бетона через использование MAPDL. В частности, Yield surface activity status и Failure plane surface activity status (не поддерживается моделью Microplane).

Работая с элементом Solid 185, вы также имеете на выбор несколько способов моделирования армирования. Прямое дискретное армирование, описанное для элемента Solid 65, применимо и здесь. Также для элемента 185 (и для других элементов последнего поколения) существует возможность задания дискретного армирования при помощи элементов REINF 264.

Рисунок 12. Несколько вариантов (не все) задания элемента Reinf 264

Задать «размазанное» армирование для сетки элементов последнего поколения (например, 185) можно при помощи элементов Reinf 263 и Reinf 265. Данная методика, впрочем, больше свойственна моделированию композитного материала. Для использования элементов Reinf на данный момент также пока не предусмотрено объектов интерфейса – этот путь обязательно потребует командной вставки.

Рисунок 13. Несколько вариантов (не все) задания элемента Reinf 265

 

Можно ли обойтись без командных вставок?

Да, но только если вам не нужен график развития трещин. Вы можете использовать одну из моделей бетона в Engineering data, армирование и бетон разбить стандартными элементами Beam 188 и Solid 185 (создаются в meshing автоматически) и связать сетки при помощи инструментов Designmodeler и Mechanical (например, Form new part, Pinch, Node Merge или Mesh Connecton). В этом случае вы сможете обойтись без единой строчки APDL кода, но у вас не будет доступа к уникальному результату элемента Solid 65 – графику роста трещин. Других существенных недостатков такой подход в общем-то не имеет.

Тем не менее, вставки, требуемые элементами Solid 65 и Link 180 просты, и могут быть подготовлены таким образом, что подойдут абсолютно любой задаче. Использование же вставок готового вида несущественно осложняет работу в интерфейсе и никого не должно пугать. Трехмерный график роста трещин можно получить при помощи обработки результатов в интерфейсе MAPDL. Кроме того, существует возможность создания собственных объектов интерфейса в ANSYS (ACT расширение) для проведения определенных расчетов. При помощи языка Python можно самостоятельно создать кнопки и панели инструментов для расчетов с элементом Solid 65. Таким образом, данный подход также вполне уместен. Для получения графика развития трещин это и вовсе единственный вариант.

Ну и наконец продукт CivilFEM for ANSYS (решение от компании Ingeciber) позволяет полностью обходиться без команд. Он долгое время существовал только как дополнение к классическому MAPDL, но с недавних пор есть и специальное ACT расширение для работы с CivilFEM в Workbench.