ADINA混凝土计算专题——如何实现收敛的参数设定建议

civil fans

坛子里面不少朋友在问一些混凝土非线性计算的问题，包括单调加载的计算和滞回分析计算。如果是单调加载计算，对adina而言，确实太“小菜”，你可以把构架压到遍布“伤痕”，甚至有实验条件，还能获得和试验对比很优质的对比结果，这个帖子不想过多纠缠在这个论题上，因为滞回分析远比单调加载复杂，对非线性计算的要求也更高，因此，专门谈谈这个问题——加之进来不少朋友似乎对这个感兴趣。
混凝土模型主要包含两大类，一类是型钢砼组合模型，一类是纯粹的钢筋混凝土模型（普通钢筋混凝土模型或者预应力钢筋混凝土模型），这两类模型我都做过一些简单的测试计算，也做过一些针对工程复杂节点的试验模拟计算。从说明问题的角度来说，越简单的模型其实越有说服力，比如简单的H型砼钢组合梁，钢筋混凝土梁，T型的框架梁柱节点，等等。由于纯粹的钢结构模型，其材料即使在大幅度流塑变形以后（没有撕裂之前），也基本是连续介质材料，因此这一类模型对非线性计算没有什么大的考验，大多数CAE程序都能解决，在此不再赘述。就两类混凝土模型而言，由于混凝土开裂之后变为不连续材料，物理响应的震荡更大一些，非常容易导致计算发散问题，因此这个问题确实很困扰人。但目前就个人的使用体会而言，依据做的过算例，结合adina的计算结果以及收敛性来说，虽有些小小的不尽人意，但总体还不错，参数设置好之后，一般都能越过屈服位移之后继续3-6个滞回圈（视滞回增量不同，每一个滞回过程2-3个循环——可能和一般的循环加载规定有小的差异，主要是为了减少计算消耗），所谓的“小小的不尽人意”主要针对纯粹的钢筋混凝土模型而言（这其实也是所有的非线性程序需要克服的地方）。以型钢混凝土模型来说，从结果来看，后期的滞回耗能主要靠钢结构部分提供耗散能力（和纯钢结构模型的滞回特征有一些相似性），因此其计算收敛性更好，和钢筋混凝土模型相比，这可能是钢结构部分提供了较好的耗散能力所致，虽然混凝土开裂以后，非线性计算容易发散，但在出现由于数值原因或者物理原因导致的应变、应力震荡时，钢结构已经顺利完成“交班”工作，这很大程度上可能也提高了数值收敛性，而且，adina优异的非线性计算能力提供了一系列强制收敛的技术，这在一定程度克服了数值原因导致的发散问题（实际上绝大多数情况下，包含混凝土的模型不收敛主要原因是数值计算方法和参数模型所致，因此，视程序不同，各自的非线性能力对各种问题的适应性差异较大）。纯粹的钢筋混凝土模型，混凝土是提供模型主要刚度的因素，钢筋虽然能够提高模型的延性和总体承载力，但其能力和组合砼模型相比较就差得较远了。就adina程序而言，根据个人的一部分计算经验，其提高非线性收敛能力的影响参数主要包含一下几点（一时之间可能没有概括完），贡献给大家：
1、adina独有的微动力阻尼系数对收敛性影响较大，这种技术将静力过程当做微动力过程来处理，通过设置合理的微动力阻尼系数（0.001-0.2）和对应的时间增量步(1-1000),可以显著加强收敛，但同时不会导致“假”的动力效应，产生错误数值震荡。
2、非协调元虽然精度较高（可以线性积分单元的形式获得高次多节点单元的精度），但代价是收敛性变差，因此推荐采用协调元。
3、提高混凝土单元的积分阶次（2-4次）可以有效提高计算精度和收敛性，但速度有一定降低，3次或者以下速度降低不明显，同时，为了增加钢筋和混凝土单元的协调性，建议钢筋采用2次或者以上的单元（避免局部过“刚”导致的局部应力震荡问题影响收敛）。
4、采用稀疏矩阵算法或者多重网格法均有较高的收敛性和精度，具体选择什么算法，可以视计算规模和试验确定，一般情况下，多重网格法计算速度快一些，特别是模型较大的时候。
5、型钢和混凝土的连接通过刚性连杆约束或者约束方程都可以，一般把型钢或者钢筋节点设置为主节点。这样对精度和收敛性都有好处（有些时候可能还和两者的网格疏密有关，当然你也可以在分网时，让两者网格节点协调连续，但不具备操作性）
6、型钢或者钢筋与混凝土之间可以设置弹簧单元实现滑移模拟，但这个弹簧刚度多少呢，谁也不敢拍着胸口说。而且这种建模方式对复杂模型基本不具备操作性，偶尔做两根简单构件，算着玩，可以试试，当然对搞两篇豆腐块有一定的帮助。所以，快刀斩乱麻，这个东西就别考虑了（个人意见），至少我现阶段不会考虑这个东西。
7、计算收敛容差虽然会导致精度变差，但我确实不知道对于高度非线性问题，0.05和0.001甚至0.1有什么明显的差异，建议这个参数适当放大，帮助收敛，收敛准则有限采用位移准则或者能量准则。
8、对于普通钢筋混凝土模型，不推荐采用rebar+弥散开裂模型的方式进行处理，从几个算例的分析比较来看（也有个别钢筋混凝土模型计算得非常不错），rebar模式得到的滞回包络和混凝土的本构曲线类似，个人以为这是不正常的，至少没有反映出钢筋的贡献，推荐的方式还是钢筋骨架（beam）+弥散开裂模式的做法，这种方式实际上收敛性不如rebar方式，但其结果似乎合理一些。rebar模式出现类似混凝土本构的滞回特征，究其原因，个人以为，可能和程序对rebar的处理方式有关，也许，这种模式就只是把rebar当成了混凝土的增强纤维，也就是混凝土材料的一种“内部成分”，实际不是这样的，钢筋骨架的刚度贡献和强度贡献应该不算小（少筋构件除外），基于这样的思路，也许采用梁单元模式处理钢筋可能更合适，而且梁单元形成的钢筋骨架具有稳定性，就计算收敛而言，应该比桁架单元更有优势。我曾经做过一个简单的钢筋混凝土模型在adina和midas中对比计算，由于midas本身的原因，比较两者弹性阶段的承载力结果非常吻合，包括挠度变形。
9、混凝土本构模型，很多人习惯采用单轴加载的混凝土本构模式，个人推荐采用循环加载模式下的本构模式，这种模式在压碎阶段的极限应变更大一些，对收敛性有一定帮助，具体可以参考相关的专业文献。至于钢筋或者钢材的材料本构，建议用MKIN或者BKIN就够了(混合模型是一个新模型，但在理论手册上没找到相关资料，有资料的朋友不妨贡献出来，谢谢了)，虽然很多人指出这两种模型有一些缺陷（似乎较粗），但看了他们改进的模型，似乎精度提高也不大，同样个别时候存在着偏差很大的情况。况且，模型和试验的精度对比不能绝对以试验为依据，做过实验的人都知道，对于复杂模型，试验的加载条件和边界设置悬着呢，谁敢说试验就一定是标准和原则呢..........

个人意见，欢迎补充和指正！
附图是一些简单的计算案例的结果图片（算着玩，不针对任何工程实际，有兴趣做的朋友随便设计参数吧，反正是搞着玩）。单纯针对程序计算能力而言，结果还不错。

civil fans

字体怎么是这样哦.................

狼跃冲顶

civil fans 朋友
你介绍的内容实在太好了
帮我解决了不少adina程序中混凝土的收敛计算问题
由于平时用ansys巨多
adina只是自己自学
所以，你的阐述确实对我这种主动自学adina的学子
是大有帮助啊
谢谢

junyao365

虽然我不做混凝土 但楼主确实说的太详细了 非常厉害

civileol

楼主所述很有深度。在用ADINA时的确碰到了如此上述收敛性问题。个人对：“至于钢筋或者钢材的材料本构，建议用MKIN或者BKIN就够了(混合模型是一个新模型，但在理论手册上没找到相关资料，有资料的朋友不妨贡献出来，谢谢了)，虽然很多人指出这两种模型有一些缺陷（似乎较粗），但看了他们改进的模型，似乎精度提高也不大，同样个别时候存在着偏差很大的情况。”里面的钢材循环荷载下本构混合强化模型感兴趣，改天把有关论文发上来供大家共同探讨。好久没见楼主发高质量的贴了。谢谢了。

发上了，具体参数看如何取值。

liduqing1

civil fans 朋友
你介绍的内容实在太好了,能不能将你的 in文件贴出来，让大家学习学习．
　　　　　　　　非常感谢

zz1010

civil fans 您好，我也在做有关节点方面的工作，我有几个问题想问下您：
1、您这里的柱子应该有轴压的，那轴压是怎么加的？我是就简单的 在柱顶施加pressure荷载，时间函数是0到1逐渐施加，然后再整个求解过程中保持不变。但是这样的话，柱顶在沿柱长方向是没有约束的，和实际试验是不一样的。当然我在柱顶是建了一层弹性模量很大的垫块。我看您的模型是不是在点上施加荷载，然后再做个刚性连接。
2、梁端的荷载是怎么样施加的？如果施加pressure是比较简单，但是有很大的问题。如果施加displacement的话，怎么加呢，我是在梁端和试验差不多的放了一个弹性模量很大的垫块，和梁是节点耦合的，然后在上面施加displacement，但是，这里估计局部破坏比较严重。
3、如果我不是要做一个滞回曲线，只是想让节点剪切破坏，在有限元分析中，使用说明标准判断比较好点呢。还有一个是，怎么样看一个结果可不可信，就比如我看到我有一个试算的构建，虽然梁端位移很大，但是相邻的箍筋单元应力差距很大，一个受压，一个是受拉，这样的结果就是不可信的。
4、关于荷载步大小的问题，如果一个荷载下，采用大小两个时间步过程，收敛标准一样，最后都是收敛，有没有区别。如果有区别的话，哪个更可信。因为我的模型，分别采用0.1和0.01的步长，最后能施加的最大荷载相差很大。
5、梁柱的纵筋和箍筋两者之间的节点耦合和不耦合有什么区别呢，我看您的模型好像是耦合的。对结果影响大么。还有就是，采用truss单元和rabar单元，对结果会有影响么？
6、微动力阻尼系数（0.001-0.2）和对应的时间增量步(1-1000),这两者之间有什么样的联系。
7、另外，我在ADINA理论手册里发现有说在非线性结构中，前期的收敛容差过大，会导致后期的不收敛。
8、另外，不知道您有没有使用LDC方法，能不能介绍下经验。感觉ADINA不能单独地使用弧长法，很不好。在analysis collapse里，它会对所有的荷载进行增减，让我感到很郁闷，因为轴压是要保持不变的，LDC也会把荷载变很大。想了很多方法，但是效果不好，很烦躁。
我的问题很多，麻烦您看到的话帮忙解答下，万分感激！

civil fans

问题多啊，能够回答多少算多少吧。
1、关于轴压比，上面的贴图第1个悬臂构件为0.6，其余均没有考虑，因为仅作测试计算。至于数值模拟方法采用就是约束垂直于轴压方向的自由度，沿着轴向施加恒定的轴压力。目前还没找到更合适的方法，查看了很多文献，也基本上用这样的方法，个别有试验支撑的结果，两者吻合还可以。
2、梁端（或者其他位置）施加位移作用，我采用的是将加载点和附近节点直接耦合的方式（这样比较粗，仅仅只是用作模型测试使用），这种方式需要注意的是别产生“过约束”或者“集中受力”导致加载点出现应力集中或者没有的弯曲约束。至于加垫块，这其实是模拟试验的方法，也是做真正的工程分析需要的边界处理方式（工程问题马虎不得），但很多人搞错了，就像你说的，由于垫块和构件之间仅仅用了简单的网格连续或者耦合处理，反而会在该位置产生多余的集中应力或者“过约束”。正确的方式应该考虑垫块和构件的接触关系，一个垫块是不行的（受拉就脱开了），必须是一个“夹具”型的垫款，至于垫款的构造，你可以按照试验条件设计也可以虚拟设计，保证拉压状态下都能通过接触传递荷载就ok.
3、怎么看结果可不可行，不好说，因为涉及“具体问题具体分析”的老话。但对结果的判别肯定是个人功底的直接体现，其实这也是学习CAE分析的成果体现，否则就是一个程序操作员后者说“匠人”
4、对于弹性分析，加载步的变化对结果应该没有影响，但不排除数值求解误差的差异。但对于塑性问题，加载步就很大了，原因很简单，进入塑性之后不满足线性递增原理。线弹性问题的相关原则肯定不适合与塑性分析。就算是同样的加载步，最后的持荷荷载步不一样差异都“可能”很明显。
5、其实rebar的原理就是将钢筋直接和混凝土耦合，本质是一样的，但rebar单元本身和truss单元可能会有一些差异，计算结果显示，差异不大。你可以试试看。需要额外提醒的是如果钢筋采用beam单元而不做专门的处理，可能其对应的结果会显示出刚度偏大的问题。
6、微动力阻尼系数和时间步幅值的关系可以看理论手册，写得很详细。
7、收敛容差过大会导致后期的结果出现“漂移”，这个可能是肯定有的，怎么调节，没有准确的说法，针对具体问题，这是一个经验，只是表明有这个调整方向。
8、LDC法用过，但主要用在结构崩塌压溃等类似问题，在滞回分析或者混凝土单调加载问题中没有用过，你可以介绍一下经验。

zz1010

非常感谢civil fans 的回复。新的问题又来了
1、您说beam单元要做一些专门的处理，您能稍微具体点说说么？
2关于LDC法，我只能说到现在为止还没有一个结果让我稍微满意一点的，我感觉LDC在结构只受一个荷载的情况下可以用，有多个荷载，而且是有一个荷载要保持不变的，使用起来很麻烦。
3、还有一个ADINA的错误提示很多，但是理论手册上都没有说明，特别是A1xxx的，我这里遇到A1138什么的，都查不到，您有知道哪里可以查到么？
4、我在分析结果中经常发现有箍筋的相邻两个单元的应力相差很大，而且基本是一个是拉一个是压，您认为这个主要是什么原因造成的。
5、稀疏矩阵算法或者多重网格法，这个具体在哪个地方，能说说么？
呵呵，我的问题实在是有点多，自己都有点不好意思了！您有空帮我看看吧。

handaguang

太棒了，超级顶，非常感谢！打印出来学习！留下资料！

libin77021748

太经典了！不愧是高手！学习了！

whpyf

高手
有位兄弟想联系你 非常紧急
他的qq是356335677

huaizhongren

1# civil fans

civil fans 请与我联系，有重要事情商量，谢谢 daguang.han@gmail.com

zz1010

把这个帖子给顶起来，civil fans 什么时候上网看到再给看看，帮帮我们啊！

zz1010

civil fans ,你好久没上线了啊!看到回复下啊

civil fans

civil fans ,你好久没上线了啊!看到回复下啊
zz1010 发表于 2009-3-19 19:05

其实，我也想听听别人的高见。
钢筋混凝土滞回数值分析本就是一个难点，大家多讲讲自己的经验，众人拾材火焰高啊！
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1、最近又做了几个测试模型，关于钢筋采用哪一种单元的说法，补充一下：做了几个别人论文上的算例，计算结果显示无论是beam还是truss均显示出高一些的刚度（从滞回包络可以看得出来），对极限承载力影响较大，需要慎重使用！——至于软化beam或者truss的方式，主要是一些数值手段，比如增加单元划分节段，选择多节点等参元、释放梁单元的节点转动自由度等。我前面有提及，三种单元中，rebar收敛性相对较好（不易产生由于边界处理导致的集中应力问题，但rebar的显示确实丑陋，像多节棍），还是推荐rebar。三种单元的对比结果显示，rebar和试验结果（参考别人论文数据）相对最为接近——但个别案例确实显示rebar过低估计钢筋的刚度贡献。目前还没有太明确的结论和想法，有兴趣的朋友可以做做测试计算，多提一点建议，也算是练手艺。

2、做滞回分析不需要用LDC方法，滞回分析的刚度下降是通过每一个滞回的峰值响应逐步下降反映出来（进入塑性或者屈服之后），单就一个滞回圈而言，一般并不存在“负刚度”的问题，LDC做混凝土的计算，从测试效果来看，并不太好，至少计算效率实在太慢，远不如牛拉法。

3、箍筋应力问题，不好说，具体问题具体分析，自己拿主意吧，你可以从“数值积分”或者“物理现象”角度去分析你的问题。

4、稀疏矩阵算法或者多重网格方法，理论手册上有解释，两者不是分析混凝土问题的什么特殊算法，属于基本操作和基本原理问题，不是这个专题讨论的问题，不再赘述。

5、最近测试了用drucker-prager岩土材料模型替代弥散裂缝混凝土模型模拟钢筋混凝土的滞回非线性行为（很多程序都可以用d-p材料模拟混凝土），感觉效果更好一些，做了几个对比测试模型，在单调加载模式下，相同的网格模型和边界条件，不同的混凝土材料模式，两者的极限承载能力接近，但在滞回荷载作用下，D-P材料收敛性远远好于弥散裂缝混凝土模型。因为本人不是学习岩土工程专业的，D-P CAP模型的几个参数并无深入研究（ADINA的理论手册关于D-P材料的两个参数（W和D，似乎是损伤参数）的来龙去脉没说得太仔细），根据别人的一些研究参数和成果做了两个测试算例，其中一个有试验对比，效果似乎还可以，但极限承载力偏高一些。

狼跃冲顶

civil fans
老师的精彩言论 让在下受益匪浅
谢谢

civileol

各位版友 老师，能解答一下5楼的我的问题吗？

zz1010

要顶起来，让更多的人看到，来讨论。。。

libin77021748

在我毕业之前能看到就更好了！真是感觉颇深啊！