选择BKIN还是BISO–正确理解ANSYS本构模型中的强化模型

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在处理钢筋、钢材、混凝土类弹塑性非线性分析时,选择合理的本构模型非常重要,以钢筋为例,最常见的本构模型为BKIN和BISO,BKIN代表线性随动强化模型,BISO代表等向强化模型。不少同学在处理本构模型选择的一块云里雾里,以别人的参考代码为基础进行修改,今日水哥就简单介绍下经常用的强化模型。

具体介绍之前,首先简要说明下什么是弹塑性分析

在静力学分析模块,根据分析类型可分为弹性分析及弹塑性分析,弹性分析阶段,应力和应变成正比,即应力=应变*弹性模量,卸载以后一切恢复原状。而弹塑性分析阶段则是一旦在达到材料的弹性极限后,继续加载,使材料进入塑性阶段,此时再卸载就无法恢复原状。

分析过程中的总应变可分为弹性应变及塑性应变,弹性应变和应力成正比,要描述一个结构的整体变化过程,关键在于构建塑性应变和应力之间的关系,也即是这里说的弹塑性本构。

影响塑性应变的因素有很多,如加载历史(这就是为什么弹塑性分析要涉及到荷载步)、温度、应力、应变率,以及一些内部因素,如材料的屈服强度、损伤等。

对于ANSYS而言,在模拟弹塑性分析阶段,主要根据以下三个准则来描述塑性发展:

1、屈服准则:加载过程中,一旦材料的等效应力超过屈服应力,程序判定进入塑性状态,这是解决一个从弹性到塑性的过渡点问题;

2、流动准则:当构件发生塑性应变时,流动准则定义了应变方向,也就是说,流动准则可以描述在达到屈服后,在每一个荷载增量的作用下,塑性应变的各个分量是如何发展的;

3、强化准则:描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。

第三个准则中的强化意思是指当材料经过屈服阶段的塑性变形后,卸载,再加载到屈服,新的屈服点要比原屈服点高。

第一次屈服点就对应着“初始屈服准则”,每一次的屈服都比上一次高一点,这个发展的过程就是强化。

强化过程根据强化的方向分为等效强化和随动强化。

等效强化:如果一个方向加载-卸载后,各个方向的强化效果相同,则称之为等效强化;

以BKIN为例,其本构模型如下所示:

bkin

随动强化: 如果一个方向加载-卸载后,各个方向的强化效果不同,则称之为随动强化;

以BISO为例,其本构模型如下所示(注意正反屈服应力的区别):

biso

所以,从定义来看,两者的主要区别在于强化方向的不同,这也为我们选择具体的本构模型指明了思路。

对于一般的单向加载而言,两则的区别不大,因为不涉及到加载-卸载的过程,但对于反复加载而言,就应该选择随动强化模型BISO而不是等效强化模型BKIN了,比如做钢筋混凝土的弹塑性地震时程分析,滞回模拟时,这一点大家尤其要注意。

上面说的是双线性,如果是多线性,则就是同学们比较熟悉的MKIN以及MISO了,如果是非线性,则分别对应CHABOCHE以及NLISO,原理基本类似,具体同学们参考ANSYS的帮助说明。

 

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