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LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
非线性问题求解的基本策略
用一系列的线性过程逼近结构刚度的改变过程； 当上述线性逼近过程偏离实际过远时，采取某种叠代过程进行 修正，以保证结果在控制的精度内；
即使如此，也不能保证所有的非线性问题都能顺利求解！
14 April 2006
非线性 非弹性 应变率无关 运动强化 双线性 屈服应力 塑性切线模量
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-6
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义弹塑性材料属性的命令流（续2）
!!!!!! 定义线弹性材料属性 MP,EX,1,2.10E+11 MP,DENS,1,7800 MP,PRXY,1,0.3 !!!!!! 定义弹塑性材料属性 TB,BKIN,1,1,2,1 TBTEMP,0 TBDATA,,2.35E6,2.10E10,,,,
mp,ex,3,1.20E+9 mp,dens,3,2500 mp,prxy,3,0.2
!!!!!! 顶、底梁刚度强化区混凝土 M03
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-21
双肢剪力墙计算过程实例 — 命令流（时程分析）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？ 问题2：如何恰当地划分单元网格 － 分布形式、最低密度？
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-13
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？
第八讲 内容提要
10. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析 二维平面单元应用实例 10.1 非线性材料模型的定义 10.2 非线性求解过程基本参数的设定 10.3 如何解释结果 10.4 作业中的几个普遍问题！
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-2
10. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析
非金属塑性材料
非线性
非弹性
混凝土材料
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-8
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性GUI命令操作（续1）
混凝土材料属性参数对话框中各参数的物理意义：
1）张开裂缝剪力传递系数； 2）闭合裂缝剪力传递系数；
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-18
二维平面单元单元应用实例（续2）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
模型2：离散化模拟
单元选择：混凝土采用 PLANE42 单元模拟，钢筋采用 Link1 单元模拟; 顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹性
模量的方法模拟；
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-19
双肢剪力墙建模过程实例 — 命令流
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
!!!!!! 用命令流生成 ANSYS 课教学练习-5 计算模型 !!!!!! 模型1：等效模量法 /prep7 !!!!!!定义单元类别 ET, 1,PLANE42 !!!!!! 墙肢单元 KEYOPT,1,3,3 ET, 2,PLANE42 !!!!!! 连梁单元 KEYOPT,2,3,3 ET, 3,PLANE42 !!!!!! 顶、底梁刚度强化区单元 KEYOPT,3,3,3 !!!!!! 定义材料属性 mp,ex,1, 3.23E+10 !!!!!! 墙肢混凝土 M01 mp,dens,1,2570 mp,prxy,1,0.2 !!! TB,BKIN,1,1,2,1 !!!!!! 塑性强化规则 TBTEMP,0 TBDATA,,5.62E6,2.10E10,,,, !!!!!! 弹塑性参数
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
混凝土：Ec = 3.01010 N/m2，c = 0.20，
抗拉强度 ft = 2.6106 N/m2，轴心抗压强度 fc = 2.5107 N/m2
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-16
二维平面单元应用实例
模型1：等效模量法
墙肢 X向配筋率：1.0%；Y向配筋率：1.5%；双向平均取 1.3%； 连梁 X向配筋率：2.9%；Y向配筋率：0.7%；双向平均取 2.0%；
单元选择：混凝土采用 PLANE42 单元模拟;
顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹 性模量的方法模拟；顶梁可取厚度比 200/70 作为增大系数；底梁可取 厚度比 300/70 作为增大系数，或统一地取增大系数为4。
!!!!!! 塑性强化规则 !!!!!! 弹塑性参数
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-7
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性GUI命令操作（Solid65单元）
先定义线弹性材料属性，然后再定义 混凝土材料属性： 选取非线性（Nonlinear）材料模型， 非弹性（Inelastic），非金属塑性材 料（Non-metal Plasticity）,混凝土 材料 （Concrete）。 弹出混凝土材料属性参数对话框。
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-11
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
10.4 如何解释结果
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-12
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
!! 指定混凝土材料
!! 混凝土材料参数 !! 混凝土单元配筋状况由实参数定 !! 指定混凝土单元配筋状况
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-10
10.2 非线性求解过程基本参数的设定
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
确定求解控制 Solution > Sol’n Control. 许多控制可以采用， 但是常用如下： 小或大变形 时间和时间步 或子步数 输出控制： 1． 施加载荷。 2． 保存数据库。 3． 求解。
可以采用二种计算模型进行比较：
模型1：均匀化钢筋混凝土模型（等效模量法）； 模型2：离散的钢筋混凝土模型（分离式），可反映配筋位置的影响。 单元划分：确定最低网格密度！
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-17
二维平面单元单元应用实例（续1）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
3）单轴抗拉强度；
4）单轴抗压强度； 5）双轴抗压强度； 6）与参数 7、8联合使用的围压值
7）在参数 6给定围压下的双轴抗压强度；
8）在参数 6给定围压下的单轴抗压强度； 9）受拉开裂后的刚度折减因子。
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
L8-9
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
建模及计算规划
考虑混凝土与钢筋不同材料特性及钢筋分布对构件变形计算结果的影响， 考虑材料非线性，采用弹塑性材料模型； 假定构件处于平面应力状态；
底梁及顶梁加厚处通过加大材料模量的方式模拟；
非线性分析叠加原理不成立，墙肢轴压作用效应对结果有影响（模拟高 层结构自重效果）；
（A）
（B）
（D）
L8-14
通用有限元程序ANSYS及应用
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题2：如何恰当地划分单元网格 － 分布形式、最低密度？ 由于沿对角线上网格 的特殊分布形式，会 不恰当地强化这个区 域变形、应力的计算 结果！ 要点：没有充分依据 时，分网在任何方向 上不应有偏好！
（A）分别在两个轴孔 处形成平衡力系，连 杆柄处计算结果可能 偏离实际； （B）结果不对称； （C）与 （D）三个小 凸台处实际应接近应 力自由，施加约束后 会产生虚假的应力分 布。 要点：给定问题的应 力场是唯一的，故位 移最多相差一常数， 或相差一个刚体位移 解。 （C）
14 April 2006
硕士研究生学位课程讲义（2006）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
通用有限元程序ANSYS及应用
(八)
主 讲： 钱 江
二OO六年四月十四日
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-1
硕士研究生学位课程讲义（2006）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-15
10.钢筋混凝土剪力墙非线性分析 —— 二维平面单元应用实例
构件尺寸及材料特性说明 如下图所示钢筋混凝土双肢剪力墙，材料参数统一取值如下： 钢 筋：Es = 2.11011 N/m2，s = 0.30，屈服强度 y = 2.35108 N/m2
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-3
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
弹塑性材料属性的定义
钢筋混凝土材料 Solid65 单元属性的定义
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-4
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-5
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义弹塑性材料属性的GUI命令操作（续1）
然后按下图方式定义弹塑性材料属性： 选取非线性（Nonlinear）材料 模型 ，非弹性（ Inelastic），应 变率无关 （Rate Independent）材料中运动强化弹塑性材料（Kinematic Hardening Plasticity）， 应力－应变关系取双线性模型。 在材料参数输入窗口中，填入屈服应力值 235 MPa，塑性切线模量值 2.1e10.
!!!!!! 时程分析命令流 !!! *set,st,0.01 *set,endpoint,100 *dim,xforce,array,endpoint *vread,xforce(1),Seismic_x,txt (7F10.5) *VOPER,xforce(1),xforce(1),MULT,9.8, , ,
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-20
双肢剪力墙计算过程实例 — 命令流
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
mp,ex,2,3.36E+10 !!!!!! 连梁混凝土 M02 mp,dens,2,2610 mp,prxy,2,0.3 !!! TB,BKIN,2,1,2,1 !!!!!! 塑性强化规则 TBTEMP,0 TBDATA,,7.274E6,2.10E10,,,, !!!!!! 弹塑性参数
定义弹塑性材料属性的GUI命令操作
执行 Main Menu > Preprocessor > Material Models 弹出材料模 型定义对话框 Define Material Model Behavior，先定义线弹性材 料属性如下图：
线性、弹性、各向同性
弹性模量、泊松比
14 April 2006
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性的命令流（续2）
!!! 定义线弹性材料属性 mp,ex,1,1.54E+10 mp,dens,1,2500 mp,prxy,1,0.2 !!! 定义 Solid65 混凝土材料属性 TB,CONCR,1, TBTEMP,0 TBDATA, ,0,0,2.43e6,2.5e7, , , !!!!!! 定义单元的 Real constant R,1,2,0.1,0,0,2,0.2, RMORE,0,90, , , , ,
非线性问题求解的基本策略
用一系列的线性过程逼近结构刚度的改变过程； 当上述线性逼近过程偏离实际过远时，采取某种叠代过程进行 修正，以保证结果在控制的精度内；
即使如此，也不能保证所有的非线性问题都能顺利求解！
14 April 2006
非线性 非弹性 应变率无关 运动强化 双线性 屈服应力 塑性切线模量
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-6
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义弹塑性材料属性的命令流（续2）
!!!!!! 定义线弹性材料属性 MP,EX,1,2.10E+11 MP,DENS,1,7800 MP,PRXY,1,0.3 !!!!!! 定义弹塑性材料属性 TB,BKIN,1,1,2,1 TBTEMP,0 TBDATA,,2.35E6,2.10E10,,,,
mp,ex,3,1.20E+9 mp,dens,3,2500 mp,prxy,3,0.2
!!!!!! 顶、底梁刚度强化区混凝土 M03
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-21
双肢剪力墙计算过程实例 — 命令流（时程分析）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？ 问题2：如何恰当地划分单元网格 － 分布形式、最低密度？
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-13
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题1：如何恰当地给出实际工程问题的边界约束？
第八讲 内容提要
10. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析 二维平面单元应用实例 10.1 非线性材料模型的定义 10.2 非线性求解过程基本参数的设定 10.3 如何解释结果 10.4 作业中的几个普遍问题！
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-2
10. 钢筋混凝土剪力墙非线性分析
非金属塑性材料
非线性
非弹性
混凝土材料
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-8
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性GUI命令操作（续1）
混凝土材料属性参数对话框中各参数的物理意义：
1）张开裂缝剪力传递系数； 2）闭合裂缝剪力传递系数；
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-18
二维平面单元单元应用实例（续2）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
模型2：离散化模拟
单元选择：混凝土采用 PLANE42 单元模拟，钢筋采用 Link1 单元模拟; 顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹性
模量的方法模拟；
14 April 2006
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L8-19
双肢剪力墙建模过程实例 — 命令流
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
!!!!!! 用命令流生成 ANSYS 课教学练习-5 计算模型 !!!!!! 模型1：等效模量法 /prep7 !!!!!!定义单元类别 ET, 1,PLANE42 !!!!!! 墙肢单元 KEYOPT,1,3,3 ET, 2,PLANE42 !!!!!! 连梁单元 KEYOPT,2,3,3 ET, 3,PLANE42 !!!!!! 顶、底梁刚度强化区单元 KEYOPT,3,3,3 !!!!!! 定义材料属性 mp,ex,1, 3.23E+10 !!!!!! 墙肢混凝土 M01 mp,dens,1,2570 mp,prxy,1,0.2 !!! TB,BKIN,1,1,2,1 !!!!!! 塑性强化规则 TBTEMP,0 TBDATA,,5.62E6,2.10E10,,,, !!!!!! 弹塑性参数
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
混凝土：Ec = 3.01010 N/m2，c = 0.20，
抗拉强度 ft = 2.6106 N/m2，轴心抗压强度 fc = 2.5107 N/m2
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-16
二维平面单元应用实例
模型1：等效模量法
墙肢 X向配筋率：1.0%；Y向配筋率：1.5%；双向平均取 1.3%； 连梁 X向配筋率：2.9%；Y向配筋率：0.7%；双向平均取 2.0%；
单元选择：混凝土采用 PLANE42 单元模拟;
顶部加载端加强部位及底梁均认为近似于刚性，用人为增大材料弹 性模量的方法模拟；顶梁可取厚度比 200/70 作为增大系数；底梁可取 厚度比 300/70 作为增大系数，或统一地取增大系数为4。
!!!!!! 塑性强化规则 !!!!!! 弹塑性参数
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-7
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性GUI命令操作（Solid65单元）
先定义线弹性材料属性，然后再定义 混凝土材料属性： 选取非线性（Nonlinear）材料模型， 非弹性（Inelastic），非金属塑性材 料（Non-metal Plasticity）,混凝土 材料 （Concrete）。 弹出混凝土材料属性参数对话框。
14 April 2006
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L8-11
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
10.4 如何解释结果
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-12
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
!! 指定混凝土材料
!! 混凝土材料参数 !! 混凝土单元配筋状况由实参数定 !! 指定混凝土单元配筋状况
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-10
10.2 非线性求解过程基本参数的设定
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
确定求解控制 Solution > Sol’n Control. 许多控制可以采用， 但是常用如下： 小或大变形 时间和时间步 或子步数 输出控制： 1． 施加载荷。 2． 保存数据库。 3． 求解。
可以采用二种计算模型进行比较：
模型1：均匀化钢筋混凝土模型（等效模量法）； 模型2：离散的钢筋混凝土模型（分离式），可反映配筋位置的影响。 单元划分：确定最低网格密度！
14 April 2006
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L8-17
二维平面单元单元应用实例（续1）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
3）单轴抗拉强度；
4）单轴抗压强度； 5）双轴抗压强度； 6）与参数 7、8联合使用的围压值
7）在参数 6给定围压下的双轴抗压强度；
8）在参数 6给定围压下的单轴抗压强度； 9）受拉开裂后的刚度折减因子。
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
L8-9
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
建模及计算规划
考虑混凝土与钢筋不同材料特性及钢筋分布对构件变形计算结果的影响， 考虑材料非线性，采用弹塑性材料模型； 假定构件处于平面应力状态；
底梁及顶梁加厚处通过加大材料模量的方式模拟；
非线性分析叠加原理不成立，墙肢轴压作用效应对结果有影响（模拟高 层结构自重效果）；
（A）
（B）
（D）
L8-14
通用有限元程序ANSYS及应用
10.4 作业中的几个普遍问题
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
问题2：如何恰当地划分单元网格 － 分布形式、最低密度？ 由于沿对角线上网格 的特殊分布形式，会 不恰当地强化这个区 域变形、应力的计算 结果！ 要点：没有充分依据 时，分网在任何方向 上不应有偏好！
（A）分别在两个轴孔 处形成平衡力系，连 杆柄处计算结果可能 偏离实际； （B）结果不对称； （C）与 （D）三个小 凸台处实际应接近应 力自由，施加约束后 会产生虚假的应力分 布。 要点：给定问题的应 力场是唯一的，故位 移最多相差一常数， 或相差一个刚体位移 解。 （C）
14 April 2006
硕士研究生学位课程讲义（2006）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
通用有限元程序ANSYS及应用
(八)
主 讲： 钱 江
二OO六年四月十四日
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-1
硕士研究生学位课程讲义（2006）
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-15
10.钢筋混凝土剪力墙非线性分析 —— 二维平面单元应用实例
构件尺寸及材料特性说明 如下图所示钢筋混凝土双肢剪力墙，材料参数统一取值如下： 钢 筋：Es = 2.11011 N/m2，s = 0.30，屈服强度 y = 2.35108 N/m2
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-3
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
弹塑性材料属性的定义
钢筋混凝土材料 Solid65 单元属性的定义
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-4
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-5
10.1 非线性材料模型的定义
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义弹塑性材料属性的GUI命令操作（续1）
然后按下图方式定义弹塑性材料属性： 选取非线性（Nonlinear）材料 模型 ，非弹性（ Inelastic），应 变率无关 （Rate Independent）材料中运动强化弹塑性材料（Kinematic Hardening Plasticity）， 应力－应变关系取双线性模型。 在材料参数输入窗口中，填入屈服应力值 235 MPa，塑性切线模量值 2.1e10.
!!!!!! 时程分析命令流 !!! *set,st,0.01 *set,endpoint,100 *dim,xforce,array,endpoint *vread,xforce(1),Seismic_x,txt (7F10.5) *VOPER,xforce(1),xforce(1),MULT,9.8, , ,
14 April 2006
通用有限元程序ANSYS及应用
L8-20
双肢剪力墙计算过程实例 — 命令流
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
mp,ex,2,3.36E+10 !!!!!! 连梁混凝土 M02 mp,dens,2,2610 mp,prxy,2,0.3 !!! TB,BKIN,2,1,2,1 !!!!!! 塑性强化规则 TBTEMP,0 TBDATA,,7.274E6,2.10E10,,,, !!!!!! 弹塑性参数
定义弹塑性材料属性的GUI命令操作
执行 Main Menu > Preprocessor > Material Models 弹出材料模 型定义对话框 Define Material Model Behavior，先定义线弹性材 料属性如下图：
线性、弹性、各向同性
弹性模量、泊松比
14 April 2006
LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS
定义混凝土材料属性的命令流（续2）
!!! 定义线弹性材料属性 mp,ex,1,1.54E+10 mp,dens,1,2500 mp,prxy,1,0.2 !!! 定义 Solid65 混凝土材料属性 TB,CONCR,1, TBTEMP,0 TBDATA, ,0,0,2.43e6,2.5e7, , , !!!!!! 定义单元的 Real constant R,1,2,0.1,0,0,2,0.2, RMORE,0,90, , , , ,