基于ABAQUS的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台_王辉.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 9 期 2023 年 9 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.9 Sep.2023 收稿日期:2023-04-16 基金项目:山东省专业学位研究生教学案例库建设项目（SDYAL21062）；山东省自然科学基金面上项目（ZR2020ME097）；山东省高等学校优秀青年创新团队支持计划（2019KJG007）；山东科技大学专业学位研究生教学案例库建设项目（Yzlts2021032）作者简介:王辉（1982），男，山东滨州，博士，教授，主要研究方向为岩土工程数值仿真与教学，。引文格式:王辉，怀洪源，徐智超，等.基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台J.实验技术与管理,2023,40(9):125-131.Cite this article:WANG H,HUAI H Y,XU Z C,et al.Simulation experiment teaching platform for constrained concrete failure characteristics based on ABAQUSJ.Experimental Technology and Management,2023,40(9):125-131.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.09.018 基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征 数值仿真教学平台 王 辉，怀洪源，徐智超，商世昌，周 航，蒋 成（山东科技大学 资源学院，山东 泰安 271019）摘 要：数值仿真试验作为土木工程试验的一个重要手段，越来越多地应用于土木水利类研究生的教学体系。将ABAQUS 数值模拟技术引入土木工程有限元课程中“约束混凝土破坏特征”的教学内容，通过 Python 语言二次开发，借助 VUMAT 单元删除功能，建立约束混凝土破坏试验参数化仿真系统，实现荷载作用下约束混凝土破坏全过程模拟。通过试验数据分析与模拟结果对比，验证了数值仿真平台的合理性。学生可以通过该平台的交互式窗口输入数据实现自动建模分析，丰富了课程教学内容，为今后的实验教学提供了新思路。关键词：约束混凝土；破坏；数值仿真试验；VUMAT；ABAQUS 中图分类号：TU399 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)09-0125-07 Simulation experiment teaching platform for constrained concrete failure characteristics based on ABAQUS WANG Hui,HUAI Hongyuan,XU Zhichao,SHANG Shichang,ZHOU Hang,JIANG Cheng(College of Resources,Shandong University of Science and Technology,Taian 271019,China)Abstract:Numerical simulation test is an important tool in civil engineering experiments,and is used more and more in teaching systems for civil and hydraulic engineering graduate students.ABAQUS simulation technology is introduced into the finite element course of civil engineering for the teaching of“constrained concrete failure characteristics.”Python language is used for secondary development,and VUMAT unit deletion function is used to build a parameterized simulation system for constrained concrete failure tests.The system simulates the entire process of constrained concrete failure under load.The rationality of the simulation platform is verified by comparing test data analysis and simulation results.The platform allows graduate students to input data through interactive windows for automatic modeling analysis,enriching course content and providing new ideas for future experimental teaching.Key words:constrained concrete;damage;numerical simulation tests;VUMAT;ABAQUS 随着现代信息技术的高速发展，教育部先后开展了多项数值仿真实验教学项目的认定工作，各大高校越来越重视数值仿真实验的教学工作，根据数值仿真的发展历程来看，数值仿真实验教学是进一步丰富实验教学理念的产物，可以让学生更加清晰、多方位学习到专业知识1-4。工程中，混凝土结构多处于受压状态，侧向约束可有效地抑制混凝土结构中细微裂缝的扩展，提高混凝土结构的抗压强度与延性5-7。徐秀凤等8研究了箍筋约束混凝土轴心受压破坏机理，对有限元模拟时选取箍筋约束混凝土的本构模型提出了建议。王维利9基于 Fortran 语言，利用 VUMAT 用户子程序嵌入126 实 验 技 术 与 管 理 ABAQUS 主程序中实现了二次开发，并验证了混凝土破坏模型的合理性。Hammadi10等通过试验研究了聚乙烯（PVC）约束在短平圆形混凝土柱中的有效性，并通过 ABAQUS 进行数值模拟分析，将数值分析结果与试验结果进行了相互验证，结果表明采用 PVC 约束混凝土柱可提高其极限承载力。Ma 等11研究了碳纤维增强塑料（CFRP）带约束混凝土短柱单轴压缩破坏情况，借助 ABAQUS 建立了约束条件下混凝土柱有限元模型，结果表明屈服破坏的先后顺序分别是型钢、纵向钢筋、箍筋、再生骨料混凝体（RAC）、CFRP，验证了 CFRP 条有利于增强混凝土柱的轴向承载能力和变形能力。李檀等12通过 ABAQUS 分析了玻璃纤维增强塑料（GFRP）管钢骨高强混凝土破坏情况，结合已有试验及其本构关系，对比分析仿真结果与试验数据，验证了模型的正确性，得出 GFRP 管对抑制混凝土变形、提高承载力极限具有积极作用。陈旭池13研究了 GFRP 管对核心混凝土的约束作用，通过ABAQUS 对试验结果进行了对比分析，验证了模型的适用性，研究表明在 GFRP 管约束下提升了核心混凝土的强度，增加了混凝土构件的延性。赵文娟14通过Python 语言对 ABAQUS 进行了二次开发，建立了基于岩石力学试验的参数化数值模拟仿真系统，并以花岗岩试块为例，验证了仿真系统的有效性。通过以上文献可知，目前通过 ABAQUS 二次开发对 FRP 约束混凝土等的试验研究较多，试验结果数据与模拟结果相近，但对于尼龙扎带约束混凝土破坏实验的研究较少。本文通过 VUMAT 用户子程序编程实现模型单元删除功能，并利用 Python 语言对ABAQUS 进行二次开发，建立约束混凝土破坏特征数值仿真平台，研究约束混凝土破坏特征，实现了荷载作用下约束混凝土破坏全过程的数值仿真，研究成果丰富了土木工程有限元类课程的案例教学内容，为研究生开展数值仿真试验提供了有效手段。1 约束混凝土单轴压缩破坏特征 尼龙扎带具有热胀冷缩性能，被广泛应用于工程加固领域，可为混凝土材料提供有效的约束预应力。利用加热后的尼龙扎带对混凝土试样进行约束，在其冷却过程中能够产生一定的收缩力，从而实现约束混凝土试样的制备。1.1 尼龙扎带性能测试 尼龙扎带尺寸为：1 mm（厚）10 mm（宽）550 mm（长），材质为尼龙-66。通过应力环测试尼龙扎带受热冷却过程产生的预应力。首先，在电热鼓风干燥箱中对尼龙扎带进行加热，加热温度分别为 80、100、120；然后，将加热后的尼龙扎带环向绑扎在应力环上，每组 5 件试样，测试结果取平均值。预应力测试如图 1 所示。图 1 尼龙扎带预应力试验 预应力测试结果表明：尼龙扎带从干燥箱拿出后迅速冷却，01 min 之内冷却速度最快，随时间推移冷却速度下降，4 min 左右之后，不再冷却变形。通过对尼龙扎带冷到室温（25）时应力环应力值进行分析，可以发现：随着尼龙扎带加热温度升高，扎带冷却收缩产生的预应力越大。加热温度为 80 时，预应力均值为 27.82 kPa；加热温度为 100 时，预应力均值为 33.33 kPa；加热温度为 120 时，预应力均值为 44.29 kPa。通过自制缠绕夹具对尼龙扎带进行拉伸试验（如图 2 所示）以获取拉伸性能参数，扎带加热温度分别 图 2 尼龙扎带拉伸试验 王 辉，等：基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台 127 为 80、100、120。每组 5 件试样，试验结果取平均值。试验结果表明：在试验加热温度至 80120 时，随着温度的升高，尼龙扎带韧性降低，脆性增大，冷却后收缩变形增大，拉伸强度降低。扎带在 80 时拉伸强度最高，为 138 MPa；100、120 时拉伸强度分别为 127.64、113.41 MPa。加热温度越高，扎带冷却收缩率越大。加热温度为 80、100、120 时，扎带收缩率为分别为 0.12%、0.16%、0.19%。1.2 约束混凝土单轴压缩试验 选取加热温度分别为 80、100、120 的尼龙扎带对强度等级为 C35 的混凝土试块进行约束，试块为圆柱体，尺寸为 150300 mm，每个试样沿高度方向均匀绑扎 7 根。在 20 000 kN 微机控试验机进行单轴压缩试验，采用位移加载方式对试件进行加载，位移加载速率为 5 mm/min。试样破坏结果如图 3 所示。不同预应力约束等级下，混凝土试块应力-应变曲线如图 4 所示。可以看出，尼龙扎带能够有效提高混凝土承载力。尼龙扎带加热温度越高，混凝土承载力越高：无约束混凝土承载力为 467.72 kN；在 80、100、120 约束条件下混凝土承载力分别为 514.90、565.88、592.12 kN，承载力分别提高约 10.09%、20.99%、26.60%。图 3 约束混凝土试验破坏情况 图 4 混凝土应力-应变曲线 2 约束混凝土破坏特征数值仿真平台 2.1 尼龙扎带破坏模型 在利用有限元进行实际工程计算分析时，常常会用到各种材料、本构模型和算法。作为一种大型通用有限元软件，ABAQUS 允许用户通过自行编程实现对软件的前、后处理进行二次开发。本文通过 Fortran语言将最大拉应力破坏准则嵌入 VUMAT 子程序，引入失效单元删除算法模拟试块受压破坏过程中扎带断裂破坏过程。在用户子程序 VUMAT 中，所有应变值根据增量配置计算，所有张量定义在与材料点旋转的同向旋转坐标系中。为表明在应力方面的意义，考虑图 5(a)所示的杆从原来的位置 AB 拉伸并旋转到新位置A B。变形分两个阶段实现：首先拉伸杆，如图 5(b)所示，然后通过施加刚体旋转，如图 5(c)所示15。杆件拉伸后的应力为11，在刚体转动过程中，该应力不发生变化，随刚体旋转而旋转的 X Y坐标系是同向旋转坐标系。因为所有这些量都在同向旋转系统中，因此应力张量和状态变量直接计算并在用户子程序 VUMAT 中使用应变张量进行更新。单元最大拉应力准则：1|tf=-（1）式中，1为单元最大主应力；t为单元临界拉应力值。外力作用下，当扎带模型某单元应力状态的准则（1）条件为 0 时，该单元被识别为破坏并被删除，即从下一个荷载步的迭代计算中退出。如此反复迭代计算直到所有单元内力的计算残差满足收敛准则时计算终止，输出单元的应力与变形结果。2.2 混凝土损伤破坏模型 ABAQUS 提供的混凝土本构模型有弥散开裂模型和混凝土开裂模型，弥散开裂模型适用于 Stand 求 128 实 验 技 术 与 管 理 图 5 VUMAT 原理 解器，而混凝土开裂模型适用于 Explicit 求解器。混凝土损伤塑性模型（CDP）是 ABAQUS 软件中应用最广泛的素混凝土和钢筋混凝土材料模型之一，能够在Stand/Explicit 两种求解器中使用16。如图 6 所示为 CDP 中混凝土压缩本构模型示意图。注：c为混凝土受压应力；cu为混凝土最大受压应力；c0为混凝土屈服强度；0E为混凝土初始弹性模量；cd为混凝土受压损伤因子；c为弹性应变；elel0cc,分别为无损伤的混凝土弹性受压应变和考虑损伤的混凝土受压弹性应变；plincc,?分别为混凝土的受压塑性应变和受压非弹性应变。图 6 CDP 中混凝土压缩本构模型 从图 6 可以分析，在塑性应变plc?区段以内，混凝土应力应变线性增长，这一区段内模型不产生任何损伤。上升阶段斜线的斜率0E为初始弹性模量，混凝土模型达到屈服强度c0后材料进入硬化阶段。在硬化阶段，混凝土的变形不可逆，硬化阶段分为强化阶段和软化阶段。混凝土应力达到峰值应力cu后，材料进入软化阶段。在软化阶段，混凝土材料发生损伤，材料卸载刚度下降为c0(1)dE-。为模拟混凝土在单轴压缩状态下损伤破坏过程，利用 ABAQUS 提供的单元损伤功能结合 CDP 模型建立混凝土损伤模型。混凝土损伤破坏流程如图 7 所示。混凝土损伤破坏准则为 plc0.05?（2）注：total为应变总和。图 7 混凝土损伤破坏流程图 2.3 约束混凝土破坏特征数值仿真平台开发 通过 Python 语言对 ABAQUS 前后处理进行二次开发，实现用户自定义交互式输入混凝土材料属性、尼龙扎带参数等，并自动计算出不同方案下结果。交互式输入模块如表 1 所示。该方法适用于模拟各种情况下尼龙扎带约束混凝土单轴压缩试验，简化了繁琐的前后处理操作，通过程序调用，在交互窗口输入所需改动的参数即可自动进行建模并求解分析出对应的计算文件。不同参数下约束混凝土试样模型如图 8 所 表 1 交互式输入模块 Python 命令 交互式窗口 说明#.#Enter the parameter of Nylon cable ties#fields=(Number:,5),(Temperature:,100)iNumber=None while iNumber=None:iNumber,iTemperature=getInputs(fields=fields,label=Enter the Parameter of Nylon cable ties:)输入尼龙扎带数量和温度#Enter the parameter of Concrete sample#fields=(Strength Grade:,C30),(Height:,0.5),(Diameter:,0.2)iHeight=None while iHeight=None:iStrength,iHeight,iDiameter=getInputs(fields=fields,label=Enter the Properity of Concrete sample:)输入混凝土强度等级、试样高度和直径 王 辉，等：基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台 129 图 8 不同参数下约束混凝土试样模型 示（圆柱形试样（高 0.3 m、直径 0.15 m），尼龙扎带沿试样轴向均匀布设，以数量为 3、4、5、6 根为例）。3 基于数值仿真平台数值仿真试验结果分析 调用 ABAQUS 约束混凝土破坏特征数值仿真系统，对有、无约束混凝土试样破坏过程进行数值模拟分析。混凝土柱模型尺寸：150300 mm，网格划分时，采用六面体单元、扫掠方式划分，单元类型为 C3D8R（8 节点六面体线性减缩积分单元）。尼龙扎带尺寸及布设方式与节 1.2 试验内容一致。模拟过程假设扎带与混凝土试块接触面无相对滑动，通过 Merge 命令将扎带模型和混凝土模型合并为一体。3.1 无约束混凝土损伤分析 选用强度等级为 C35 的混凝土圆柱作为研究对象，其中设置弹性模量为 3.09104 MPa、泊松比为 0.2、抗压强度为 33.5 MPa。数值试验与实验室试验过程一致，模型底部施加法向约束，上部按照 5 mm/min 位移加载方式加载。模拟结果如图 9 所示，混凝土发生严重剪切破坏，剪切裂纹与混凝土截面大致呈 45角，剪切裂纹带上下两端发生错动滑切，混凝土模型表面、内部均出现单元损伤现象。图 9 无约束混凝土柱损伤破坏 3.2 约束混凝土试样破坏分析 以约束方案为 100 的 Y35-100 试样分析为例，尼龙扎带拉伸强度设置为 127.64 MPa，热膨胀系数为a=1.14105/。数值模拟中，首先设置混凝土模型初始温度场为室温 25，尼龙扎带温度为 100，分析尼龙扎带降温过程产生的预应力；其次，按照试验加载方式模拟分析加载过程中尼龙扎带和混凝土试样的破坏过程。模拟结果如图 10 所示，可以看出，约束混凝土柱轴向荷载的增加导致混凝土体积变大，横截面积增加。尼龙扎带承受来自混凝土压缩膨胀产生的拉力，尼龙扎带断裂后，扎带约束的混凝土表面仍然存在残余约束应力。混凝土单元达到损伤临界值失效删除，这种现象体现为微裂纹的出现与扩展。通过云图发现，位于扎带处单元损伤数量较少，模型其他部位单元损伤数量较多。这是由于扎带丧失约束能力后，模型表面的残存约束应力仍然发挥约束作用，抑制裂缝的扩展。最终，约束混凝土柱发生剪切破坏，剪切裂缝与混凝土横截面大致呈 45。相比于无约束混凝土柱，约束混凝土柱破坏发展缓慢，整体性较好，裂缝宽度较窄。3.3 约束混凝土试验结果与数值结果对比 通过数值仿真系统模拟，得到模拟结果与试验结果如图 11 所示，可以看出有无约束条件下，试件在受压破坏过程中均出现了明显的斜裂缝，试件整体破坏成为两部分，试件的破坏形式为剪切破坏，且试验与数值模拟结果基本一致。尼龙扎带达到拉应力强度极限后，发生破坏失去对混凝土的约束作用，但模型表面仍有残余约束应力发挥作用，相比于无约束混凝土，130 实 验 技 术 与 管 理 图 10 约束混凝土柱（Y35-100）损伤破坏 图 11 模拟结果与试验结果对比图 约束状态下混凝土破坏发展缓慢，整体性好，且裂缝宽度相对较小。数值模拟得到的应力应变曲线如图 12 所示，数值模拟结果与试验结果基本一致，具有混凝土单轴压缩的三阶段应力-应变曲线。在普通高强度混凝土单轴压缩试验难以监测出完整的应力-应变曲线，而通过数值模拟方法计算得出的应力-应变曲线可以完善单轴压缩试验测得的应力-应变曲线。在上升区段，曲线斜率随混凝土的强度增高而增加，且约束状态下混凝土柱的应力-应变曲线斜率、弹性模量均大于无约束混凝土柱。对于普通混凝土，强度越高，软化下降段就越陡峭，试件脆性越大、延性越差。通过图 12 可以看出，Y35-100 约束混凝土柱应力-应变曲线软化下降段比 注：Y35 为无约束状态；Y35-100 为加热温度 100 约束状态下。图 12 应力-应变曲线对比 Y35 平缓，脆性较小。说明尼龙扎带提高结构强度的同时也提高了结构的延性。在应力-应变曲线线性上升区段，给定应变值条件下，约束混凝土柱的应力强度小于无约束混凝土柱应力强度。说明约束混凝土柱早期承受竖向荷载时，预应力能够有效抵御材料内部单元应力的增长。通过上述分析得知，基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值模拟仿真系统的计算结果与试验结果在试件破坏形式和应力-应变关系方面具有较好的一致性，有限元数值模拟方法可以较好地解决约束状态下混凝土破坏问题，为类似的实验研究和教学提供了参考和思路。4 结语 本文基于数值模拟方法模拟了约束混凝土破坏试验，有利于学生直观形象地了解约束混凝土的破坏特征，引导学生理解单轴压缩下混凝土应力-应变曲线，改善枯燥的课堂理论教学，增强学生的学习兴趣。该仿真试验利用 Python 语言对 ABAQUS 软件进行二次开发，通过编程将混凝土破坏准则以及尼龙扎带断裂的极限条件写入 VUMAT 用户子程序中，并创建交互式自定义窗口，建立基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值模拟仿真系统，具有可重复、可验证的优点，可为类似的研究和教学提供参考。王 辉，等：基于 ABAQUS 的约束混凝土破坏特征数值仿真教学平台 131 参考文献(References)1 常亮，刘慧君，孙学军，等.高校组织建设虚拟仿真实验教学项目的思考：以河北大学为例J.实验技术与管理，2020,37(12):2932.CHANG L,LIU H J,SUN X J.Reflection on construction of virtual simulation experiment teaching projects in colleges and universities:Taking Hebei University as exampleJ.Experimental Technology and Management,2020,37(12):2932.(in Chinese)2 吴琛，麻胜兰，詹金武，等.新工科背景下国家级虚拟仿真实验教学中心的新挑战与教学改革实践探索J.高等建筑教育，2020,29(6):2229.WU C,MA S L,ZHAN J W,et al.New challenges and teaching reform of the national virtual simulation experimental teaching center under the background of emerging engineering educationJ.Journal of Architectural Education 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