砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

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各位粉丝大家好,今日和大家分享一下如何采用ANSYS模拟砖砌体裂缝。
建筑结构中,混凝土结构、钢结构已占据大部分市场,然而砖砌体作为一种传统结构,目前仍被广泛用于各种结构、各种用途的建筑中,尤其是砖混结构及民用建筑中则更加普遍。一般来说,砖砌体出现裂缝是十分普遍的现象,而砖砌体在一定范围内的裂缝也是正常的、无害的,只有当裂缝超过了一定的容许值,才会影响结构的安全使用,甚至导致结构的损坏或破坏。
砖砌体裂缝从受力机制方面考虑可以分为受压裂缝、受弯裂缝、受拉裂缝以及受剪裂缝。关于砖砌体裂缝的模拟,热度从来不减,这点可从历年学术论文中看出,今日就简单分享一下ANSYS中如何模拟砖砌体的裂缝。
不同于计算软件,在有限元软件中要完全模拟出砖砌体的裂缝,需要从两个方面进行考虑:一是砖块本身的裂缝模拟,另外一个则是砖块之间由于砂浆产生的裂缝模拟。
事实上,很多时候砌体裂缝的出现都是砂浆产生的裂缝先于砌块本身的裂缝,故而要很好的模拟砌体裂缝,如何考虑砂浆所带来的裂缝至关重要。
下图为为一些裂缝现场。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

总的来讲,关于砖砌体裂缝的模拟可从如下方面进行考虑:
一、砖本身的裂缝,在ANSYS中可借用三维实体单元Solid65单元来模拟开裂;
二、砂浆之间的裂缝,利用接触单元+内聚力本构模型(CZM)处理。
本文重点阐述在ANSYS中如何使用接触单元+CZM模型来处理砂浆之间的裂缝,文中案例为了计算过程简单化,将三维模型简化为了二维模型,也即没考虑砖本身的开裂问题,假定开裂只发生在砂浆中,计算平台采用ANSYS Workbench(有粉丝抱怨水哥一直用经典,今天就用workbench试试啦^_^),计算模型如下:

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

本模型计算参数如下:
1)单元类型:
砖:平面单元Plane182;砂浆:接触单元Conta171+Targe169
2)  本构模型:
砖本构模型如下表达式,ANSYS中采用MISO模型

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

接触本构模型CZM示意图

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

3)砖与砖之间接触关系如下所示:

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

Workbench中操作步骤如下,仅供参考:
1、进入Workbench,新建工程,点击Engineering Data,新建砖本构以及内聚力本构,如下所示。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

2、点击Geometry,设置其属性为二维计算。进入DM或者SCDM,按计算模型尺寸建立几何模型尺寸,值得注意的是,由于每个砖之间都需要建立接触单元,在几何模型建立的时候不需要进行布尔运算。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

3、进入网格划分模块,WB会在每个砖块之间自动建立接触关系,选中所有接触关系,接触类型为Bonded,修改方程类型为Pure Penatly。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

5、选中砖砌体,赋于材料属性,并划分网格。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

4、右键单击Model,在弹出来的菜单中点击Insert,选中Fracture。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

5、右键单击Fracture,在弹出来的菜单中选中Insert–>Contact Debonding,将每一个Contact Debonding材料类型赋值为前面定义的CZM模型,同时指定到具体的接触关系中。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

6、施加相关约束及荷载,求解。

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

7、结果查看

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

砖砌体裂缝模拟的基本思路与操作方法

由此可见,利用接触单元+内聚力CZM本构模型能很好的模拟由砂浆带来的裂缝发展,结合Solid65单元本身的裂缝模拟,这对于较为准确砖砌体的裂缝具有十分重要的意义。
祝好
ANSYS结构院
2021.4.7

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