lsdyna模拟楼房爆破拆除
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所谓整体式模型是将钢筋弥散于整个单元中, 并把单元视为连续均匀材料, 由虚功原理得出的关
Q 系式[ 4] : [ k ] = [ B ] T [ D ] [ B] d V 来求单元刚度 V
矩阵。弹性 矩阵 [ D ] 由 2 部分 组成, 即 [ D ] = [ D c] + [ D s] , 式中, [ D c] 、[ D s] 分别为混凝土、钢 筋的应力应变矩阵, [ Dc] 在开裂前可按各 向同性 的一般均质体计算。
根据逐段解体法的理论[ 1] , 爆破方案为首先炸 毁右边立柱和横梁, 再炸毁中间立柱, 即分为 2 个段
第 21 卷 第 3 期
陈宝 心 等 A NSYS 模拟框架结构楼房逐段 解体爆破拆除
7
位毫秒 延期 起爆。第 一段 为瞬 发, 第 二段 为 110 ms。在 ANSYS 中通过载 荷多次 求解实 现分段 起 爆, 即在第一载荷步杀死右边立柱和横梁的部分单 元, 求解完后杀死中间立柱和左边横梁的单元, 继续 求解。仅对爆破后第一时间段进行分析。 3. 2. 2 求解选项设置
在爆破拆除的工程实践中, 人们使用炸药先炸 毁结构的某些部分, 使之失去或减弱承载能力, 促使 整体结构在自重作用下失稳而按预定方向倾倒。这 些被炸毁的/ 某些部分0在有限单元法中可以模拟为 / 被杀死的单元0, 不仅自身/ 失去0质量、阻尼和其他 能量, 而且不再对整个结构贡献任何能量。
正是在以上这些理论基础上提出了在 ANSYS 中以 SOLID65 单元建立钢筋混凝土整体式有限元 模型, 利用生死单元法模拟爆破拆除的构想。 3. 2 加载和求解 3. 2. 1 杀死单元并加载
第 21 卷 第 3 期 2004 年 9 月
爆破 BLASTING
Leabharlann Baidu
V ol. 21 N o. 3 Sep. 2004
文章编号: 1001- 487X( 2004) 03- 0005- 03
ANSYS 模拟框架结构楼房逐段解体爆破拆除
陈宝心, 邓 敉, 钱 虎
( 武汉理工大学资源与环境工 程学院, 湖北 武汉 430070)
( 下转第 20 页)
20
爆破
2004 年 9 月
[ 2] T aylor G I. Science Papers o f Sir T aylor G I, Ó ( 44) [ M ] . London: L ondo n Cambr idge U niversity Press, 1963. 387.
[ 3] Hog gatt C R , Recht R F . J A ppl Phys, 1968, 39: 1856. [ 4] Seamsn L: ibid, 295. [ 5] 封加坡, 经福谦, 苏林祥. 对薄 壁柱壳 爆炸膨 胀断 裂过
程的研究[ J] . 高压物理学报, 1988, 2( 2) : 97~ 103. [ 6] 邵丙璜, 张 凯. 爆炸焊 接原 理及 其工程 应用 [ M ] . 大
建立模型网格划分后如图 1 所示。
图 1 整体式模型结构图
各参数数目如下: 关键点数: 120; 线条数: 180; 面数: 90; 实 体 数: 15; 节 点 数: 6 234; 单 元 数: 20 148。
局部放大的网格划分如图 2 所示。
图 2 局部放大的网格划分图
3 计算机模拟过程
3. 1 生死单元法在爆破中的运用原理 在 ANSYS 中, 如果模型中加入( 或删除) 材料,
参考文献
[ 1] 刘殿中. 工程 爆破 实用手 册[ M ] . 北京: 冶金 工业 出版 社, 1999.
[ 2] 冯叔瑜. 体积平衡法[ A] . 冯叔 瑜爆破论文 选集[ C] . 北 京: 北京科学技术出版社, 1994.
[ 3] 杨人光. 工程爆 破抛掷 堆积 规律 [ M ] . 北京: 中 国科 学 院力学所, 1977.
4 计算结果和分析
1) 变形图显示载荷子步间构件、单元变形情况, 包括 变形 前和 变形 后的 形状。 由于篇 幅, 仅给 出 substep= 2 和 substep= 13 时的变形图。
2) 求解过程中, 在 270 ms 时刻, 求解中断, 根据
有限元分析理论及 ANSYS 求解判 断准则, 在爆破 切口形成后 270 ms 时刻构件之间出现第一次脱离, 整个结构由几何稳定体系转变成不稳定体系, 构件 开始独立运动。
模型中相应的单元就/ 存在0( 或消亡) 。单元生死选 项就用于在这 种情况下杀死或重新激 活选择的单 元。可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单 元生死功能[ 5] 。
要产生/ 单元死0的效果, ANSYS 程序并不是将 / 杀死0 的单元从模型中删除, 而是将其刚度( 或传 导,或其他分析特性) 矩阵乘以一个很小的因子 [ EST IF] 。因子缺省值为 1. 0E - 6, 也可以赋为其 他数值。死单元的单元载荷将为 0, 从而不对载荷 向量生效。同样, 死单元的质量, 阻尼, 比热和其他 类似效果也设为 0 值。死单元的质量和能量将不包 括在模型求解结果中。单元的应变在/ 杀死0的同时 也将设为 0[ 5] 。
[ D c] = [ R ] T [ D c] [ R ] 2. 2 砼本构关系和破坏准则的选取
模型建立的重点是材料本构关系和破坏准则的 确立。采用的混凝土本构模型为多线性等向强化模 型( Mult ilinear Isot ropic H ardening) , 钢筋的本构关 系采用的是双线性等向强化模型( Bilinear Isotropic Hardening) 。
连: 大连工学院出版社, 1987.
[ 7] 5 物 理学 实用 手册6 编写 组. 物理 学实 用 手册 [ M ] . 福 州: 福建人民出版社, 1991.
[ 8] 张昌锁, 张宝平, 梁为 民. 延性 材料 的损伤 断裂 [ J] . 爆 炸与冲击, 2000, 20( 2) : 115~ 120.
摘 要: 利用大型通用有限元软件 AN SY S 的生死单元功能对钢筋混 凝土结构 楼房的爆破 拆除进行模 拟。 采用 SOL ID65 建立钢筋混凝土整 体式模型, 在 AN SYS 中基于生死 单元法预 计爆破拆 除切口 形成瞬 间结构 中裂缝的形成及塑性铰的出现位置。 关键词: A NSYS; SOL ID65; 逐段解体法; 爆破模拟 中图分类号: T D2351 1 文献标识码: A
在大型有限元软件 ANSYS 中, 专门建立了面 向混凝土、岩 石材料的 单元 ) ) ) SOL ID65 单元, 在 三维 8 节点等参元 SOL ID45 的基础上, 增加了针对 混凝土的材性参数和组合式钢筋模型。它不但可以
模拟混凝土材料特有的开裂、压碎等力学现象, 而且 预先定义好了 混凝土的破坏准则[ 2] 。Solid65 单元 本身包括 2 部分: 一是和普通的 8 节点空间实体单 元 Solid45 相同的实体单元模型, 并加入了 WillamWarnke5 参数破坏准则。二是由弥散钢筋组成的整 体式模型, 它可以在三维空间的不同方向分别设定 钢筋的位置、角度及配筋率等参数[ 2] 。此单元模型
因为考虑材料非线性和几何非线性( 大变形效
应 ) , 故 选 择 ANSYS/ ST RUCT URE 模 块 中 的 LARGE DISPLACEMENT T RANSIENT 非线性选 项, 求解器选择稀疏矩阵直接求解法, 为加强收敛, 打开完全牛顿- 拉普森选项和自适应下降功能。采 用自动时间步长及线性搜索, 使用位移收敛准则, 以 加快收敛。 3. 2. 3 结果后处理
ANSYS Simulation of the Blasting Process by Gradual Disintegration
CH EN Bao-x i n, DENG Mi , QIA N H u ( School of Resource and Environment Engineering, Wuhan Universit y of T echnology, Wuhan 430070, China)
按最大主应力方向为坐标轴方向而建立起来的 关系矩阵, 在求单元刚度矩阵时, 还要转到总体坐标 系中去。假设最大主应力方向与整体坐标系 x 轴 之间 的夹 角为 H ( 顺 时针 为正, 反 之为 负) , C = cos H, S = sinH, 则可以利用下列坐标转换矩阵转到 整体坐标系中去[ 4] :
Abstract: AN SYS softw ar e is used to simulate the frame- structured building being destroy ed w ith contro lled
blasting is introduced in this paper. T he location o f cr acks and plastic- gemel after t he moment of blasting are conveniently simulated after SO LI D65 element being used to built a reinforced- concrete integr al model in A NSYS. I n this article, the process of analysis and solution is put for ward and the method of killing or activating elements is m ent ion ed.
Key words: A NSYS; SOL ID65; method of gradually disintegration; blasting simulation
1概述
水平逐段解体法爆破方案主要应用于高宽比不 大, 且每层 C0 ( 能量相似常数, 即框架结构的势能和 解体框架破坏能量之比) > 1 的情况。具体实施为 按照一定的时间延期逐段炸毁 框架内的主要 支撑 柱, 使框架结构逐段解体坍塌[ 1] 。该方案的主要优 点是通过 2 次比较充分的解体, 第一次势能以突加 载荷形式转化成弯曲破坏能, 使框架各节点处产生 弯矩而解体破坏; 第二次为构件坍塌触地冲击而解 体。使框架整体得到理想的破坏效果, 从而解体后 各构件能充分满足尺寸的设计要求。
[ 9] 郑孟菊, 俞统昌, 张银亮. 炸药的性 能及测试技 术[ M ] . 北京: 兵器工业出版社, 1990.
[ 10] 北京工业学院八系5 爆炸与冲击6编写组. 爆炸及其 作 用( 下册) [ M ] . 北京: 国防工业出版社, 1979.
( 上接第 4 页)
c. 按体积平衡法计算群药包前沿抛距时, 将前 排药包抛距作为群药包前沿抛距的观念应当更新, 即群药包的前沿抛距不但正比于最小抵抗线, 还与 药包的间、排距存在对应关系, 也就是说, 群药包爆 破时, 存在一个有利于抛掷的/ 最佳间、排距0。
6
爆破
2004 年 9 月
在一般范围内能较好地进行钢筋混凝土的非线性分 析, 包括对徐变等特性的考虑。
2 框架结构楼房爆破模型
2. 1 整体式模型 有限元法经典单元模型主要有 3 种类型: 分离
式模型、组合式模型和整体式模型。组合式模型和 整体式模型考虑到钢筋混凝土的特点, 不将钢筋单 独划分单元, 这大大减少了整个结构的单元数目, 使 得用 有限元 法分析 大型建 ( 构) 筑 物是 可行 的[ 3] 。 以钢筋砼平面框架为计算模型, 按整体式模型将框 架中的梁、柱划分单元格, 如图 1。
在爆破拆除工程方案设计和实践中, 要保证前
收稿日期: 2004- 05- 08. 作者简介: 陈宝心( 1956- ) , 男; 武汉: 武汉理工大学资源与环境工程
学院副教授.
排柱子炸毁后, 梁、板能达到失稳条件, 由几何稳定 结构转为不稳定结构, 必须要进行梁预处理。那么 该预处理哪些梁, 在什么位置处理, 处理的程度等, 以往是根据经验确定的, 通过数值计算进行计算分 析, 为爆破拆除设计和施工提供科学依据。
Q 系式[ 4] : [ k ] = [ B ] T [ D ] [ B] d V 来求单元刚度 V
矩阵。弹性 矩阵 [ D ] 由 2 部分 组成, 即 [ D ] = [ D c] + [ D s] , 式中, [ D c] 、[ D s] 分别为混凝土、钢 筋的应力应变矩阵, [ Dc] 在开裂前可按各 向同性 的一般均质体计算。
根据逐段解体法的理论[ 1] , 爆破方案为首先炸 毁右边立柱和横梁, 再炸毁中间立柱, 即分为 2 个段
第 21 卷 第 3 期
陈宝 心 等 A NSYS 模拟框架结构楼房逐段 解体爆破拆除
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位毫秒 延期 起爆。第 一段 为瞬 发, 第 二段 为 110 ms。在 ANSYS 中通过载 荷多次 求解实 现分段 起 爆, 即在第一载荷步杀死右边立柱和横梁的部分单 元, 求解完后杀死中间立柱和左边横梁的单元, 继续 求解。仅对爆破后第一时间段进行分析。 3. 2. 2 求解选项设置
在爆破拆除的工程实践中, 人们使用炸药先炸 毁结构的某些部分, 使之失去或减弱承载能力, 促使 整体结构在自重作用下失稳而按预定方向倾倒。这 些被炸毁的/ 某些部分0在有限单元法中可以模拟为 / 被杀死的单元0, 不仅自身/ 失去0质量、阻尼和其他 能量, 而且不再对整个结构贡献任何能量。
正是在以上这些理论基础上提出了在 ANSYS 中以 SOLID65 单元建立钢筋混凝土整体式有限元 模型, 利用生死单元法模拟爆破拆除的构想。 3. 2 加载和求解 3. 2. 1 杀死单元并加载
第 21 卷 第 3 期 2004 年 9 月
爆破 BLASTING
Leabharlann Baidu
V ol. 21 N o. 3 Sep. 2004
文章编号: 1001- 487X( 2004) 03- 0005- 03
ANSYS 模拟框架结构楼房逐段解体爆破拆除
陈宝心, 邓 敉, 钱 虎
( 武汉理工大学资源与环境工 程学院, 湖北 武汉 430070)
( 下转第 20 页)
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爆破
2004 年 9 月
[ 2] T aylor G I. Science Papers o f Sir T aylor G I, Ó ( 44) [ M ] . London: L ondo n Cambr idge U niversity Press, 1963. 387.
[ 3] Hog gatt C R , Recht R F . J A ppl Phys, 1968, 39: 1856. [ 4] Seamsn L: ibid, 295. [ 5] 封加坡, 经福谦, 苏林祥. 对薄 壁柱壳 爆炸膨 胀断 裂过
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建立模型网格划分后如图 1 所示。
图 1 整体式模型结构图
各参数数目如下: 关键点数: 120; 线条数: 180; 面数: 90; 实 体 数: 15; 节 点 数: 6 234; 单 元 数: 20 148。
局部放大的网格划分如图 2 所示。
图 2 局部放大的网格划分图
3 计算机模拟过程
3. 1 生死单元法在爆破中的运用原理 在 ANSYS 中, 如果模型中加入( 或删除) 材料,
参考文献
[ 1] 刘殿中. 工程 爆破 实用手 册[ M ] . 北京: 冶金 工业 出版 社, 1999.
[ 2] 冯叔瑜. 体积平衡法[ A] . 冯叔 瑜爆破论文 选集[ C] . 北 京: 北京科学技术出版社, 1994.
[ 3] 杨人光. 工程爆 破抛掷 堆积 规律 [ M ] . 北京: 中 国科 学 院力学所, 1977.
4 计算结果和分析
1) 变形图显示载荷子步间构件、单元变形情况, 包括 变形 前和 变形 后的 形状。 由于篇 幅, 仅给 出 substep= 2 和 substep= 13 时的变形图。
2) 求解过程中, 在 270 ms 时刻, 求解中断, 根据
有限元分析理论及 ANSYS 求解判 断准则, 在爆破 切口形成后 270 ms 时刻构件之间出现第一次脱离, 整个结构由几何稳定体系转变成不稳定体系, 构件 开始独立运动。
模型中相应的单元就/ 存在0( 或消亡) 。单元生死选 项就用于在这 种情况下杀死或重新激 活选择的单 元。可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单 元生死功能[ 5] 。
要产生/ 单元死0的效果, ANSYS 程序并不是将 / 杀死0 的单元从模型中删除, 而是将其刚度( 或传 导,或其他分析特性) 矩阵乘以一个很小的因子 [ EST IF] 。因子缺省值为 1. 0E - 6, 也可以赋为其 他数值。死单元的单元载荷将为 0, 从而不对载荷 向量生效。同样, 死单元的质量, 阻尼, 比热和其他 类似效果也设为 0 值。死单元的质量和能量将不包 括在模型求解结果中。单元的应变在/ 杀死0的同时 也将设为 0[ 5] 。
[ D c] = [ R ] T [ D c] [ R ] 2. 2 砼本构关系和破坏准则的选取
模型建立的重点是材料本构关系和破坏准则的 确立。采用的混凝土本构模型为多线性等向强化模 型( Mult ilinear Isot ropic H ardening) , 钢筋的本构关 系采用的是双线性等向强化模型( Bilinear Isotropic Hardening) 。
连: 大连工学院出版社, 1987.
[ 7] 5 物 理学 实用 手册6 编写 组. 物理 学实 用 手册 [ M ] . 福 州: 福建人民出版社, 1991.
[ 8] 张昌锁, 张宝平, 梁为 民. 延性 材料 的损伤 断裂 [ J] . 爆 炸与冲击, 2000, 20( 2) : 115~ 120.
摘 要: 利用大型通用有限元软件 AN SY S 的生死单元功能对钢筋混 凝土结构 楼房的爆破 拆除进行模 拟。 采用 SOL ID65 建立钢筋混凝土整 体式模型, 在 AN SYS 中基于生死 单元法预 计爆破拆 除切口 形成瞬 间结构 中裂缝的形成及塑性铰的出现位置。 关键词: A NSYS; SOL ID65; 逐段解体法; 爆破模拟 中图分类号: T D2351 1 文献标识码: A
在大型有限元软件 ANSYS 中, 专门建立了面 向混凝土、岩 石材料的 单元 ) ) ) SOL ID65 单元, 在 三维 8 节点等参元 SOL ID45 的基础上, 增加了针对 混凝土的材性参数和组合式钢筋模型。它不但可以
模拟混凝土材料特有的开裂、压碎等力学现象, 而且 预先定义好了 混凝土的破坏准则[ 2] 。Solid65 单元 本身包括 2 部分: 一是和普通的 8 节点空间实体单 元 Solid45 相同的实体单元模型, 并加入了 WillamWarnke5 参数破坏准则。二是由弥散钢筋组成的整 体式模型, 它可以在三维空间的不同方向分别设定 钢筋的位置、角度及配筋率等参数[ 2] 。此单元模型
因为考虑材料非线性和几何非线性( 大变形效
应 ) , 故 选 择 ANSYS/ ST RUCT URE 模 块 中 的 LARGE DISPLACEMENT T RANSIENT 非线性选 项, 求解器选择稀疏矩阵直接求解法, 为加强收敛, 打开完全牛顿- 拉普森选项和自适应下降功能。采 用自动时间步长及线性搜索, 使用位移收敛准则, 以 加快收敛。 3. 2. 3 结果后处理
ANSYS Simulation of the Blasting Process by Gradual Disintegration
CH EN Bao-x i n, DENG Mi , QIA N H u ( School of Resource and Environment Engineering, Wuhan Universit y of T echnology, Wuhan 430070, China)
按最大主应力方向为坐标轴方向而建立起来的 关系矩阵, 在求单元刚度矩阵时, 还要转到总体坐标 系中去。假设最大主应力方向与整体坐标系 x 轴 之间 的夹 角为 H ( 顺 时针 为正, 反 之为 负) , C = cos H, S = sinH, 则可以利用下列坐标转换矩阵转到 整体坐标系中去[ 4] :
Abstract: AN SYS softw ar e is used to simulate the frame- structured building being destroy ed w ith contro lled
blasting is introduced in this paper. T he location o f cr acks and plastic- gemel after t he moment of blasting are conveniently simulated after SO LI D65 element being used to built a reinforced- concrete integr al model in A NSYS. I n this article, the process of analysis and solution is put for ward and the method of killing or activating elements is m ent ion ed.
Key words: A NSYS; SOL ID65; method of gradually disintegration; blasting simulation
1概述
水平逐段解体法爆破方案主要应用于高宽比不 大, 且每层 C0 ( 能量相似常数, 即框架结构的势能和 解体框架破坏能量之比) > 1 的情况。具体实施为 按照一定的时间延期逐段炸毁 框架内的主要 支撑 柱, 使框架结构逐段解体坍塌[ 1] 。该方案的主要优 点是通过 2 次比较充分的解体, 第一次势能以突加 载荷形式转化成弯曲破坏能, 使框架各节点处产生 弯矩而解体破坏; 第二次为构件坍塌触地冲击而解 体。使框架整体得到理想的破坏效果, 从而解体后 各构件能充分满足尺寸的设计要求。
[ 9] 郑孟菊, 俞统昌, 张银亮. 炸药的性 能及测试技 术[ M ] . 北京: 兵器工业出版社, 1990.
[ 10] 北京工业学院八系5 爆炸与冲击6编写组. 爆炸及其 作 用( 下册) [ M ] . 北京: 国防工业出版社, 1979.
( 上接第 4 页)
c. 按体积平衡法计算群药包前沿抛距时, 将前 排药包抛距作为群药包前沿抛距的观念应当更新, 即群药包的前沿抛距不但正比于最小抵抗线, 还与 药包的间、排距存在对应关系, 也就是说, 群药包爆 破时, 存在一个有利于抛掷的/ 最佳间、排距0。
6
爆破
2004 年 9 月
在一般范围内能较好地进行钢筋混凝土的非线性分 析, 包括对徐变等特性的考虑。
2 框架结构楼房爆破模型
2. 1 整体式模型 有限元法经典单元模型主要有 3 种类型: 分离
式模型、组合式模型和整体式模型。组合式模型和 整体式模型考虑到钢筋混凝土的特点, 不将钢筋单 独划分单元, 这大大减少了整个结构的单元数目, 使 得用 有限元 法分析 大型建 ( 构) 筑 物是 可行 的[ 3] 。 以钢筋砼平面框架为计算模型, 按整体式模型将框 架中的梁、柱划分单元格, 如图 1。
在爆破拆除工程方案设计和实践中, 要保证前
收稿日期: 2004- 05- 08. 作者简介: 陈宝心( 1956- ) , 男; 武汉: 武汉理工大学资源与环境工程
学院副教授.
排柱子炸毁后, 梁、板能达到失稳条件, 由几何稳定 结构转为不稳定结构, 必须要进行梁预处理。那么 该预处理哪些梁, 在什么位置处理, 处理的程度等, 以往是根据经验确定的, 通过数值计算进行计算分 析, 为爆破拆除设计和施工提供科学依据。