基于ABAQUS显式算法钢筋本构模型的开发及应用

摘要

随着我国经济的快速发展，城市建设的脚步不断加快，许多大型的桥梁结构在城市建成。而我国是世界上地震频发的国家之一，由于地震作用，桥梁的墩台极易发生局部损伤和破坏，甚至导致桥梁结构整体倒塌。桥梁结构在地震作用下墩台局部通常会进入弹塑性状态，传统的弹性分析方法已经无法有效描述结构实际的受力行为，如何有效地对结构进行弹塑性模拟计算已成为桥梁抗震领域学术研究的热点。
　　目前常用的大型通用有限元软件有ANSYS、MSC.MARC、ABAQUS等，已经有不少学者将它们用于结构动力弹塑性分析了。有限元软件ABAQUS具有强大的求解非线性问题的能力，并具有良好的开放性，为用户提供了若干子程序接口，允许用户自己定制并拓展ABAQUS的功能，实现二次开发。
　　本文主要针对钢筋单轴本构关系进行了研究，基于用户自定义材料子程序接口(VUMAT)对钢筋材料本构模型进行二次开发，将钢筋混凝土构件在往复荷载下的力学行为更合理地描述出来。具体内容如下:
　　(1)通过对ABAQUS、Intel Visual Fortran以及Microsoft Visual Studio三大软件的集成，解决了ABAQUS子程序与主程序的连接问题，实现了对ABAQUS用户材料子程序的二次开发。
　　(2)在比较了现有的众多钢筋本构模型的基础上，选择出最适用于本文研究的循环荷载下多折线钢筋本构模型。对该模型进行二次开发，建立钢筋材料模型VUMAT程序设计，详细说明了子程序代码中相关变量的含义、参数的设定及使用方法。
　　(3)分别通过一根钢筋单元和钢筋混凝土柱对本文开发的VUMAT用户材料子程序进行数理验证，最终将VUMAT子程序应用于地震响应分析中。
　　本文所开发的用户材料子程序同时考虑了钢筋在往复荷载作用下的刚度退化和强度退化现象，可用于简单的梁柱构件在地震作用下的非线性分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 有限元软件的二次开发研究现状

1．3 本文研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 ABAQUS软件用户子程序接口的实现

2．1 ABAQUS软件概述

2．2 ABAQUS模块和分析步骤

2．3 ABAQUS／Explicit显式分析模块概述

2．3．1 ABAQUS／Explicit适用的问题类型

2．3．2 ABAQUS／Explicit介绍

2．4 动力学有限元法显式算法

2．4．1 显式时间积分

2．4．2 隐式时间积分

2．4．3 隐式与显式时间积分的比选

2．5 ABAQUS软件二次开发的实现

2．5．1 ABAQUS用户材料子程序

2．5．2 FORTRAN语言及软件

2．5．3 ABAQUS与VS及IVF的整合

2．5．4 ABAQUS中的VUMAT接口原理

2．6 本章小结

第3章 钢筋材料本构模型子程序的二次开发

3．1 钢筋本构关系概述

3．2 本文采用的钢筋材料模型

3．3 钢筋材料模型程序设计

3．3．1 子程序设计

3．3．2 子程序的使用及参数设定

3．4 本章小结

第4章 钢筋本构模型子程序的验证

4．1 单个钢筋单元的验证

4．1．1 模型的建立

4．1．2 验证结果及分析

4．2 钢筋混凝土构件中的验证

4．2．1 实验概况

4．2．2 数值模拟

4．3 本章小结

第5章 钢筋本构子程序在结构地震响应分析中的应用

5．1 钢筋混凝土构件算例

5．1．1 钢筋混凝土构件算例概况

5．1．2 钢筋混凝土构件模型

5．2 地震响应结果对比分析

5．2．1 位移变化

5．2．2 内力变化

5．2．3 应力变化

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间成果

致谢