基于abaqus中cohesive element 对钢筋混凝土粘结性能的研究[整理]
基于ABAQUS的钢筋混凝土桥墩受力性能研究
基于ABAQUS的钢筋混凝土桥墩受力性能研究摘要：桥墩作为桥梁中不可或缺的一部分，其受力性能也备受关注。
本文对某特大桥进行研究，对钢筋混凝土单轴受压状态低周反复加载实验，并建立钢筋混凝土桥墩的ABAQUS有限元模型，对实验与模型计算结果比对研究，研究了钢筋混凝土桥墩结构的破坏形态和滞回特性，验证了选取的本构模型的正确性，也证明了该类钢筋混凝土桥墩具有良好的受力性能。
关键词：钢筋混凝土桥墩；ABAQUS；有限元模型；滞回曲线1引言钢筋混凝土由于其组成材料的特点，就是钢筋与混凝土间可以同时起到各自的作用。
第一，研究表明在不同条件作用下，混凝土钢筋结构不会产生很大的变形差异。
第二，混凝土与钢筋之间具有优秀的粘结力；此外混凝土成分中富含氢氧化钙，特殊的碱性环境为钢筋表面制造了钝化保护薄膜，使得钢筋具有了比较好的抗酸性能；最后，钢筋混凝土具有一定的刚度、稳定性、抗震性。
正是因为钢筋混凝土其独特的优势，在基础工程建设中较大范围得到了应用。
本文以某铁路钢筋混凝土桥墩为研究对象，以室内低周反复循环加载实验数据为基础，利用ABAQUS有限元数值软件，建立该结构在单轴受压状态下的低周反复循环加载的模型，通过有限元数数值模型模拟分析，获取该桥墩的荷载-位移滞回曲线，进而与该钢筋混凝土桥墩室内低周反复循环加载的实验结果和破坏形态比较，对该钢混桥墩的受力性能进行研究。
2工程概况新建某铁路工程施工位置处于我国东南某山部地区，受环境、地势影响较大，本施工标段有共有2座特大桥，5座大桥，桥墩均为钢筋混凝土实心墩。
3桥墩的有限元分析模型3.1 模型参数及加载方案（1）模型尺寸（3）加载方案桥墩受力钢筋为Φ24@20mm，箍筋为Φ8@200mm，底梁受压受拉钢筋为Φ24@20mm，箍筋也为Φ8@200mm。
模型加载采用拟静力加载方案。
将底梁固定之后，首先对桥墩施加轴力为60T的竖向均布荷载，加载过程中保持不变。
然后对桥墩模型顶部施作循环低周的荷载，荷载循环位移变量为2mm，每级荷载施加循环2次。
基于ABAQUS二次开发的钢筋混凝土粘结滑移本构模型研究
基于ABAQUS二次开发的钢筋混凝土粘结滑移本构模型研究基于ABAQUS二次开发的钢筋混凝土粘结滑移本构模型研究摘要：钢筋混凝土结构的力学性能主要受到粘结滑移效应的影响。
为了更好地模拟和预测结构的行为，研究者通过对ABAQUS软件进行二次开发，建立了钢筋混凝土粘结滑移本构模型。
本文通过分析该模型，探讨了其应用前景和优势。
1. 引言钢筋混凝土结构是目前建筑中最常用的结构形式之一。
粘结滑移是钢筋与混凝土之间的相互作用，其性能直接影响结构的抗震性能和承载力。
因此，建立准确可靠的粘结滑移本构模型对于结构的力学性能研究具有重要意义。
2. 研究背景传统的ABAQUS软件在模拟钢筋混凝土结构时，常采用弹塑性本构模型。
然而，这种模型难以考虑粘结滑移效应，无法准确模拟结构的真实行为。
为了解决这一问题，研究者对ABAQUS软件进行二次开发，引入了粘结滑移本构模型。
3. 粘结滑移本构模型的原理粘结滑移本构模型是基于Bouc-Wen模型的基础上进行改进的。
该模型考虑了钢筋和混凝土之间的摩擦力和粘滞力，能够较好地描述粘结滑移的非线性行为。
其基本原理是通过相关的物理参数来描述钢筋与混凝土之间的相互作用，以此来确定整个结构的力学性能。
4. 模型参数的确定粘结滑移本构模型有多个参数需要确定。
这些参数包括钢筋粘滞刚度、混凝土粘滞刚度、摩擦系数等。
为了使模型更准确地预测结构的行为，研究者通过试验数据拟合和参数标定等方法来确定这些参数的取值，以满足实际结构的需求。
5. 模型的应用前景通过对粘结滑移本构模型的研究，可以更准确地预测结构的力学性能，提高结构安全性和可靠性。
该模型在地震工程、桥梁工程、水利工程等领域都有广泛的应用前景。
其为工程师提供了一种可靠的分析工具，有助于优化结构设计。
6. 模型的优势与传统的弹塑性模型相比，粘结滑移本构模型具有以下优势：（1）准确模拟钢筋混凝土结构的非线性行为；（2）考虑了钢筋与混凝土之间的相互作用；（3）可用于预测结构的破坏模式和承载力。
ABAQUS显式分析方法在钢筋混凝土结构中的应用
2009 年 4月 29日收到
华南理工大学亚热带建筑科学国家重点
实验室开放基金项目 ( 2008KA 01) 资助
第一作者简介: 王素裹 ( 1984 ), 女, 博士研 究生, 研究方 向: 钢筋 混
凝土结构抗震性能, E m ai:l w angsuguo@ foxm ai.l com。
* 通信作者简介: 韩小雷 ( 1964 ), 男, 教授, 博导, 研究 方向: 复杂 结
构的抗震, E m ai:l xlhan@ scut. edu. cn。
计算方法上的对比和钢筋混 凝土悬臂梁分析 模拟 结果的对比, 研究了显式分析方法在钢筋混凝土结 构中的适用性和准确性, 并给出了保证显式分析结 果稳定性和正确性的参数定义要点和判断方法。
1 显式分析与隐式分析理论对比
1. 1 迭代算法 对于显式和隐式两个时间积分过程, 平衡是以
对于钢筋混凝土这一复合材料, 由于混凝土抗 拉强度较低, 而混凝土的开裂常导致有限元分析模 拟中结构负刚度的出现, 此时若采用隐式分析方法 进行求解, 将产生严重的收 敛困难、大 大增加计算 成本和计算时间。因此, 在保证结果正确性的情况 下, 可考虑采用显式分析方法来进行求解。本文通 过对隐式求解和显式求解这两种分析 方法在理论
ABAQUS 中的 隐式 算法 采 用 N ew ton Raphson 算法进行非线性问题求解 [ 2, 3] 。在隐式算法中的增
量步取值可以比显式算法大很多, 但在实际运算中 受到迭代次数及非线性程度的限制, 过大的增量步 会导致收敛问题的出现, 因而应该取一 个合理值。 该算法为了改进求解结果, 在每个增量步都要进行 一次或多次矩阵求解, 都需要对静态平衡方程进行 迭代求解、每次迭代都需要 求解联立方程 组, 这一 过程需要占用相当数量的计算资源、磁盘空间和内
abaqus中cohesive单元粘度系数
在Abaqus中，cohesive单元是一种特殊的界面单元，用于模拟粘聚区的行为。
cohesive单元的粘度系数通常是由实验确定的，而不是通过模型计算得出的。
在Abaqus中，您可以使用以下步骤来定义cohesive单元的粘度系数：
1. 打开Abaqus软件，并打开您的模型。
2. 在模型树中选择“Cohesive Elements”选项。
3. 右键单击“Cohesive Elements”，并选择“Create Cohesive Element Type”。
4. 在弹出的对话框中，输入一个新的名称来命名您的cohesive 单元类型。
5. 在“Material”选项卡中，选择“Cohesive”材料类型。
6. 在“Viscosity”选项卡中，输入您测定的粘度系数值。
7. 点击“OK”按钮保存您的设置。
请注意，粘度系数的值应该根据您的实验数据或相关文献资料来确定。
确保使用正确的单位，并根据您的材料和条件进行适当的调整。
ABAQUS中的cohesive
ABAQUS中的cohesive elementABAQUS提供一种粘结单元（cohesive element），用以模拟两个部分之间的粘性连接，一般来说，它要求粘结材料尺寸和强度都小于粘结部分（比如多层复合材料的胶粘层），进而可以利用cohesive element模拟材料的断裂。
从本质上讲，利用cohesive element模拟材料的断裂其实是单元删除方法的一种，其计算流程如下1. 对预知的裂缝路径（区域）进行细化分割。
2. 在mesh的时候在裂缝区域赋予cohesive element。
3. 设置合适的断裂准则（Traction-separation separation laws）。
4. 在输出中设置不显示破坏的单元。
5. 加载，后处理。
可以看出，除了在裂缝区域设置cohesive element外，其它的与普通的单元删除方法没有区别，那么，ABAQUS为什么要设置这样一个单元呢，我们来看看cohesive element的空间结构这个单元似乎与C3D8实体单元的结构一致，但最大的区别在于横纵向尺寸的比例，C3D8单元在模拟这种大横纵比（aspect ratio）结构的时候，已经无法给出精确的解答了。
这就是cohesive element存在的意义，此外，从cohesive element的变形机理来看Cohesive element的中面虽然能够承受拉伸和剪切的应变，但并不能产生任何应力，因此，cohesive element 只能支持垂直于上下表面的牵引-分离破坏准则（Traction-separation separation laws）。
我们可以看出，当需要模拟诸如扁平结构破坏或者某结构沿一个平面撕裂这种工况的时候，cohesive element提供了一种无需细化网格的解决方案，可以有效的降低网格数量，提高运算效率。
如果是cohesive单元的话，有没有设置cohesive的破坏准则？如果是cohesive面的话，mesh-edit貌似要设置。
abaqus6.11一个从初学到精通粘弹性的分析的经验积累
问题积累（待续）1.abaqus如何调整图例的大小，就是云图左上角那个图框，字太小了看不清！！直接设置图例的字体大小就可以：工具栏viewport>viewport annotation options>legend(选项卡)>text(选项)>set font(按钮)>size，修改size选项中的数字，就可以修改图例大小了。
2.cohesive element ＡＢＡＱＵＳ在6.11使用cohesive element，定义cohesive材料属性的时候主要步骤：1.定义一个材料的名字，比如cohesive，不要去定义任何属性（弹性，弹塑性等等）。
2.打开工具栏model--edit keywords，在inp中手动添加材料的各种属性。
PS: 定义section的时候选cohesive，element control选sweep，element type选cohesive，这些是使用cohesive element的基本步骤。
zero thickness的cohesive section设定abaqus所谓的zero-thickness，其实就是定义cohesive section的initial thickness=1.0。
你可以在定义section的时候定义（specify），也可以用系统默认的thickness（也是1.0），这样有关cohesive element 的计算当中，就有displacement（位移）=strain（应变）*thickness ( 1.0 )=strain的数值。
我们知道从1914年Ingless和1921年Griffith提出断裂力学开始，一直到60年代都停留在线弹性断裂力学(LEFM)的层次。
后来由於发现在裂纹尖端进入塑性区后用LEFM仍然无法解决stress singularity的问题。
1960年由Barenblatt 和Dugdale率先提出了nonlinear/plastic fracture mechnics的概念，在裂纹前端引入了plastic zone,这也就是我们现在用的 cohesive fracture mechnics的前身。
粘结单元
ABAQUS提供一种粘结单元（cohesive element），用以模拟两个部分之间的粘性连接，一般来说，它要求粘结材料尺寸和强度都小于粘结部分（比如多层复合材料的胶粘层），进而可以利用cohesive element模拟材料的断裂。
从本质上讲，利用cohesive element模拟材料的断裂其实是单元删除方法的一种，其计算流程如下1. 对预知的裂缝路径（区域）进行细化分割。
2. 在mesh的时候在裂缝区域赋予cohesive element。
3. 设置合适的断裂准则（Traction-separation separation laws）。
4. 在输出中设置不显示破坏的单元。
5. 加载，后处理。
可以看出，除了在裂缝区域设置cohesive element外，其它的与普通的单元删除方法没有区别，那么，ABAQUS为什么要设置这样一个单元呢，我们来看看cohesive element的空间结构这个单元似乎与C3D8实体单元的结构一致，但最大的区别在于横纵向尺寸的比例，C3D8单元在模拟这种大横纵比（aspect ratio）结构的时候，已经无法给出精确的解答了。
这就是cohesive element存在的意义，此外，从cohesive element的变形机理来看Cohesive element的中面虽然能够承受拉伸和剪切的应变，但并不能产生任何应力，因此，cohesive element 只能支持垂直于上下表面的牵引-分离破坏准则（Traction-separation separation laws）。
我们可以看出，当需要模拟诸如扁平结构破坏或者某结构沿一个平面撕裂这种工况的时候，cohesive element提供了一种无需细化网格的解决方案，可以有效的降低网格数量，提高运算效率。
abaqus 插入cohesive element 原理
abaqus 插入cohesive element 原理Abaqus中的Cohesive Element（粘结元素）是一种用于模拟材料中裂纹扩展和断裂行为的元素。
它可以模拟材料中的粘结和剪切行为，并允许裂纹在材料中传播。
Cohesive Element的原理基于断裂力学理论和粘结力学理论。
它将材料中的断裂行为建模为两个相邻表面之间的相互作用。
在裂纹扩展过程中，材料的断裂面上会产生粘结应力和剪切应力。
Cohesive Element通过施加粘结和剪切应力来模拟这种相互作用。
Cohesive Element的工作原理如下：1. 定义材料的弹性行为：首先，需要定义材料的弹性行为，即材料在无裂纹时的应力-应变关系。
可以使用线性弹性模型或非线性弹性模型来描述材料的弹性行为。
2. 定义粘结行为：接下来，需要定义材料的粘结行为。
这包括定义材料的粘结强度、粘结刚度和粘结应力-开裂位移关系。
通常会使用一个或多个粘结模型来描述材料的粘结行为，如弹簧-剪切模型、弹簧-弹性模型或弹簧-塑性模型。
3. 插入Cohesive Element：将Cohesive Element插入到模型中，以模拟裂纹的扩展。
Cohesive Element通常插入到两个相邻的节点之间，其中一个节点代表裂纹的一个端点，另一个节点代表裂纹的另一个端点。
CohesiveElement的属性包括弹性刚度、粘结强度和粘结模型。
4. 定义断裂准则：定义断裂准则以确定何时发生裂纹扩展。
常见的断裂准则包括最大切应力准则、最大切应变准则和能量释放率准则。
这些准则根据材料的断裂特性来确定裂纹扩展的条件。
5. 模拟裂纹扩展：通过施加加载条件（如拉伸、剪切或弯曲）来模拟裂纹的扩展。
在加载过程中，CohesiveElement会根据定义的粘结行为和断裂准则来计算裂纹的扩展。
总之，Abaqus中的Cohesive Element通过模拟材料中的粘结和剪切行为来模拟裂纹的扩展和断裂行为。
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基于abaqus中cohesive element 对钢筋混凝土粘结性能的研究[整理]基于abaqus中cohesive element 对钢筋混凝土粘结性能的研究摘要:考虑到钢筋与混凝土界面受力的复杂性，基于用来模拟三种裂缝和失效的零厚度界面单元，采用分离式模型，引入内聚力黏结模型，并以文献中的拉拔试验结果为参照，利用abaqus中cohesive element单元建立起钢筋拉拔试验的计算模型。
通过与文献中试验结果的比较，结果符合较好，验证了该计算模型的合理性。
关键词:钢筋混凝土粘结;拉拔试验;黏结单元;数值模拟0.引言混凝土结构中，钢筋与混凝土这两种材料之所以能够共同作用、承担外荷载，其中一个很重要的原因是混凝土硬化后与钢筋之间形成了良好的粘结。
尽管对粘结试验的研究已有一百多年的历史，国内外的学者发表了为数众多的试验和理论资料，但是由于影响粘结的因素很多破坏的机理复杂，以及试验技术方面的原因等，目前粘结问题还没有得到很好的解决。
关于粘结的机理还不能提出一套比较完整的、有充分论据的粘结滑移理论。
由于试验中存在诸多不确定性，数值模拟在钢筋混凝土粘结性能分析中也逐渐重视起来，自上世纪六十年代美国学者把有限元引入钢筋混凝土结构的分析以来，有限元已经成为对混凝土问题进行研究的一种典型的数值模拟方法，目前有限元模拟主要有以下三种分析模型:l)分离式模型;2)组合式模型;3)整体式模型。
由于整体式模型不能反映钢筋混凝土这种非均质材料的微观受力机理，而组合式模型假定钢筋与混凝土粘结可靠而不产生相对位移，这又与实际的微观机理不符，因此对粘结性能的研究只能采用分离式模型。
本文通过引入描述裂缝和断裂失效的界面单元，采用分离式模型，按空间轴对称的方法，引入cohesive element模型，利用通用有限元abaqus对文献中试验得到的荷载一位移曲线进行数值模拟。
1(界面单元1.1界面单元介绍基于界面相对位移和应力之间关系建立的的界面单元能够有效地模拟钢筋和混凝土界面的力学行为，对于钢筋和混凝土之间的界面，更为实用的操作是将界面单元视为零厚度界面单元，相应地，界面单元的本构关系用界面力一相对位移进行描述。
定义界面上各点的相对位移向量为，通过单元节点差值可得到，,分别为界面单元第个上表面节点和下表面节点在方向的位移，为拉格朗日差值函数。
由于单元的形函数及数值积分一般都是在单元的局部坐标下进行的，需要将相对位移向量转化到局部坐标中描述，因此相对位移向量可以采用下式进行转换, 为由局部坐标系单位矢量组成的转换张量，界面单元的本构方程可以表达为，是Kronecker乘子，由于界面层非常薄，界面处法向上的变形非常小，对切向变形影响较小，可简化计算，故采用非耦合的本构张量;为界面单元本构张量，表征界面单元开裂、裂纹发展等力学行为，需要指出的是，不同于其他实体单元，本构张量系数为惩罚刚度。
由虚功原理得，将代入得，由得，其中单元刚度矩阵K为，由于界面单元的力学特征非常复杂，上式的积分策略需要仔细选取以避免界面应力扰动现象，P.P.Camanho和C.G.Davila建议用Newton-cotes全积分求解上式。
1.2 钢筋混凝土界面单元的本构模型对于钢筋一混凝土界面，提出如下本构模型的界面单元来模拟粘结。
在切向、法向上，单元本构关系分别采用如下图1所示双线性本构关系，法向上不计压缩对单元的损伤。
2.钢筋混凝土界面单元在Abaqus中的实现2.1 Cohesive element内聚力单元(cohesive element)主要是模拟裂纹的产生和扩展，应用cohesive 单元模拟复合材料失效，包括两种模型:一种是基于traction-separation描述;另一种是基于连续体描述。
其中基于traction-separation描述的方法应用更加广泛。
对于钢筋与混凝土界面单元采用基于traction-separation描述的方法更为合适，最常用的本构模型为图1所示的双线性本构模型。
注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移，因此线弹性段的斜率代表的实际是cohesive单元的刚度。
曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。
因此在定义cohesive的力学性能时，实际就是要确定上述本构模型的具体形状:包括刚度、极限强度、以及临界断裂能量释放率，或者最终失效时单元的位移。
2.2损伤准则(初始损伤准则)初始损伤对应于材料开始退化，当应力或应变满足于定义的初始临界损伤准则，则此时退化开始。
Abaqus的Damage for traction separation laws 中包括:Quade Damage、Maxe Damage、Quads Damage、Maxs Damage、Maxpe Damage、Maxps Damage六种初始损伤准则，其中前四种用于一般复合材料分层模拟，后两种主要是在扩展有限元法模拟不连续体(比如crack问题)问题时使用。
前四种对应于界面单元的含义如下:Maxe Damage最大名义应变准则:Maxs Damage最大名义应力准则:Quade Damage二次名义应力准则:Quads Damage二次名义应变准则:式中，当名义应变比的平方和等于1时，损伤开始。
算子是MacAuley算子，含义如下，当界面受压时，法向力及法向位移对损伤判断不起作用。
2.3 损伤演化规律选择了初始损伤准则之后，还要定义Damage Evolution。
Abaqus中损伤演化的法则包括Displacement和Energy，Displacement为基于位移的损伤演化规律，而Energy为基于能量的损伤演化规律。
Softening中包括Linear，Exponential 及Tabular三种刚度退化方式。
Damage Evolution中的所有的选项都是用来确定单元达到强度极限以后的刚度降阶方式。
2.4 cohesive element建模方法建立cohesive element的方法主要有:方法一、建立完整的结构，然后在上面切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这种方法建立的cohesive单元与其他单元公用节点，并以此传递力和位移。
方法二、分别建立cohesive层和其他结构部件的实体模型，通过“tie”绑定约束，使得cohesive单元两侧的单元位移和应力协调，。
第一种方法划分网格比较复杂;第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“tie”很繁琐;因此在实际建模中我们应根据实际结构选取较简单的方法。
3. 有限元分析实例3.1 试验介绍及有限元材料选取以Congqi Fang等试验为依据，在该试验中混凝土采用C50，采用20mm直径的钢筋，进行拉拔，下图为其试验模型。
为简便起见，采用空间轴对称建模，如图9所示:所采用的材料参数如下:表1 混凝土材料主要参数E弹性模量()混凝土强度()Dilation angle膨胀角()Eccentricity偏心率fb0/fc0双轴极限抗压强度/单轴极限抗压强度 K不变应力比Viscosity parameter 粘聚系数3E+1050MPa300.11.160.6667钢筋采用理想弹塑性材料，弹性模量E为2.1e+11，泊松比为0.3，极限强度为 4.404e+8。
表2 Cohesive的参数取值如下: E()G1()G2()Nominal stress normal only mode()Nominal stress First direction()Nominal stress second direction()Displacement at failure(m)9.375E109.375E105.9E65.9E60.0022.2 数值模拟结果与试验结果对比，如图10:图2钢筋混凝土粘结试验及数值模拟对比图3中给出了不同界面刚度取值对应的粘结滑移曲线。
图3界面刚度K值对粘结滑移曲线的影响K取值越大，相应的弹性阶段所消耗的能量越小，初始损伤后消耗的能量越大，初始损伤后的延性越好，从图中可以看出，刚度增大后，后期的最小承载力并没有太大变化，而刚度减小后，对荷载影响颇大，因此选择合适的界面刚度对于钢筋混凝土之间粘结性能的模拟至关重要。
结论通过引入界面单元来模拟钢筋与混凝土的粘结性能，得出如下结论:(1)abaqus中的cohesive element可以实现钢筋与混凝土粘结性能的模拟，采用轴对称建模，其计算结果与文献试验中的结果符合较好，说明该模型合理，对钢筋混凝土粘结有一定的参考价值。
(2)图2中可以看出，虽然有限元模拟在荷载峰值点上吻合较好，但在加载后期模拟效果较差，说明仅仅采用双线性本构模拟还是过于简单。
(3)从图3可以看出，初始刚度对荷载的影响很大，因此采用abaqus进行有限元模拟时，需选择合适的刚度取值。
参考文献:(1)陈强，邹道勤，毛土明，冷轧螺旋钢筋与混凝土黏结性能研究[期刊论文] 混凝土，2011(2) (2)Pedro P. Camanho,Carlos G. Dávila,Mixed-Mode Decohesion Finite Elementsfor theSimulation of Delamination inComposite Materials.NASA/TM-2002-211737(3)CongqiFanga, Karin Lundgren, Liuguo Chen, Chaoying Zhu, Corrosion influence on bondinreinforced concrete.Cement and Concrete Research 34 (2004) 2159–2167(4)abaqus,2009,Standard User’s Manual.。