ABAQUS在结构工程中的应用

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随着计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术飞速发展，数值模拟技术日趋成熟。数值模拟可以广泛的应用到土木、机械、电子、能源、冶金、国防军工、航天航空等诸多领域。

有限元法作为工程分析领域应用较为广泛的一种计算方法，自20世纪中叶以来，以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用，已出现了不同的有限元算法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业有限元商业软件。ABAQUS软件以它的多物理场耦合分析功能成为CAE软件的应用主流，在工程分析应用中得到了较为广泛的应用。

结构工程数值分析对有限元分析软件有特定的要求，如需拥有能够真实反应土体形状的本构模型、能够进行有效应力和孔压的计算、可以准确模拟接触面性状等等。ABAQUS软件在这些方面具有很强的适应性。以下简要介绍以下ABAQUS软件在结构工程中的应用。

1、有限元方法简介：

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式 ，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

有限单元法根据其未知变量的设置类型可分为三种方法：

1) 位移法有限元（以单元节点位移为基本未知量）

2) 力法有限元（以单元节点力为基本未知量）

3) 混合有限元（部分节点力和部分节点位移作为基本未知量）

2、利用ABAQUS分析结构工程的注意事项及技术总结

2.1混凝土静力分析

2.1.1混凝土坍落度测定

i. 采用线性Drucker-Prager模型进行混凝土坍落模拟分析。

ii. 坍落过程中为有限应变和大位移问题，应采取相应的过程控制措施。

2.1.2单向钢筋加强的混凝土板分析

i. 应用有限单元法，采用弥散开裂模型来模拟混凝土的变形行为，计算中包括了混凝土开裂、拉伸强化所反映的钢筋和混凝土间的相互作用、钢筋的屈服。

ii. 准确模拟能量释放率和混凝土与钢筋间的相互作用是模拟分析的主要控制因素。

2.1.3混凝土板崩塌分析

i. 应用有限元方法，采用弥散开裂模型和脆性开裂模型可以用于分析加筋混凝土板的有效性。

ii. 结构在响应的过程中会出现明显的非线性，包括随着混凝土开裂可能出现的不稳定区域。因此，要加强计算过程控制。

2.1.4高温环境下的钢筋混凝土梁分析

高温时，钢材和混凝土因其内部物理参数的变化从而表现出不同的力学性能，为了进行高温下的钢结构及钢筋混凝土结构的分析，必须确定出钢材和混凝土的本构模型参数。

2.1.5现浇薄壁筒桩水平受荷分析

基本假定

1) 桩周围土体用有限元模拟，用无限元模拟无限边界。

2) 钢筋与混凝土采用分离式的模型。

3) 桩体混凝土采用弥散开裂模型，钢筋采用理想弹塑性模型，近体场采用莫尔-库伦弹塑性模型，远体场采用线弹性模型。

4) 采用有效应力分析法，认为加载过程中的超静孔隙压力有足够的时间消散，桩土间摩擦系数不变。

2.2混凝土结构动力分析

1) 主要的动力载荷有：风载荷、地震载荷、冲击载荷等。

2) 通过有限元程序可以求解混凝土结构自身固有的特性，如固有频率和振型。

3) 通过有限元程序可以实现关于混凝土应力、应变、损伤等的计算。

4) 对于大型的建筑物，网格划分是一个很重要的环节，因此可以配合使用专业的网格划分软件，如ANSA等，可以取得较好的模拟效果。

5) 有限元程序一般提供子程序的应用，如要得到更多分析数据，可以编写子程序进行计算。

2.3桥梁结构分析

1) 用有限元方法求解桥梁静力问题和动力学问题，可为桥梁设计提供依据。比如说，桥梁在移动载荷作用下的动力反应；桥梁在风载荷和地震载荷作用下的动力反应。

2) 选择适当的接触模拟和边界条件，是问题求解的关键。

2.4多场耦合作用分析

1) 正如前所述，有限单元法可以用来求解多场耦合的问题，例如流固耦合，温度-应力场耦合等。这些在土木工程的问题的求解过程中都可以得到应用。

2) 多场耦合分析的应用可以使求解更接近于物理问题的真实解。

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