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【OpenSEES】浅析纤维单元(三):积分点数对柔度法纤维单元力学性能的影响

“增加积分点数可改善柔度法纤维单元数值模拟结果

柔度法纤维单元可解决刚度法纤维单元常值轴向应变线性曲率问题【OpenSees】浅析两类纤维单元:位移元与应力元。上期推送(【OpenSEES】浅析纤维单元(一):单元剖分数对刚度法纤维单元力学性能的影响,)与大家分享单元剖分数及积分点数刚度法纤维单元的影响,结论为:对于强度硬化问题,增加单元剖分数可改善刚度法纤维单元的数值模拟效果;增加积分点数无法改善模拟效果,可尽量减少积分点数量。

积分点权重是影响柔度法纤维单元力学性能的关键因素(【OpenSees】宏观梁柱单元的强度软化模拟),增加积分点数目、增加单元剖分数或替换数值积分方法均是影响积分点权重的关键因素(【OpenSees】浅析纤维单元的数值积分方法),但增加单元剖分数会增加结构自由度数目且不易定量控制权重,因此一般通过增加积分点数目或替换数值积分方法来调整柔度法纤维单元的力学性能。

本期推送将探究积分点数量对柔度法纤维单元力学性能的影响。点击阅读原文可查看本文实例相关参考文献

算例介绍

模型为一端固接一端滑动支座的W14x90钢构件,滑动端施加轴向力及弯矩。轴向力为恒定值N=0.2FyA弯矩则以一定增量由0增加到2My,其中My=FyWW为截面的塑性抵抗距。纤维截面可考虑压弯耦合,所有纤维均采用双斜线本构,其中Fy=50ksiE=29000ksia=0.005。算例不考虑几何非线性,允许材料无限硬化。利用【工具】OpenSEES_XML分析结果提取工具[开源] 可从XML结果中便捷提取目标数据!

图1 算例简图

图2 基于OpenSEES_XML提取弯矩-轴向应变曲线

积分点数的影响

柔度法纤维单元假定轴力和剪力在单元内部为常值,利用线性插值来求取截面弯矩OpenSEES中的forceBeamColumnnonlinearBeamColumn(旧命令)及BeamWithHinge(旧命令)均是柔度法纤维单元,BeamWithHinge仅是套上Guass-Radau外壳的forceBeamColumn【OpenSees】浅析分布塑性铰单元的数值积分方法刚度法纤维单元默认采用Gauss-Legendre积分方法,而柔度法纤维单元则默认采用Gauss-Lobatto积分方法【OpenSees】浅析纤维单元的数值积分方法

  • 力位移

构件的弯矩-转角曲线及弯矩-轴向位移曲线如图3所示。由图可3知,不管积分点多与少,柔度法纤维单元均能正确捕捉构件的抗弯承载力;随着积分点数的增加,弯矩-转角及弯矩-轴向位移曲线强度硬化段的模拟效果逐渐改善

图3 单元剖分数对构件力位移曲线的影响
  • 曲率

最后分析步的曲率沿构件长度方向的分布情况如图4所示。由图4可知,柔度法纤维单元内部弯矩为线性分布随着积分点的增加,积分点处弯矩及曲率的模拟效果均得到改善。注意,柔度法纤维单元虽可表达线性的弯矩分布模式,但并不意味着正确表达构件的真实内力分布情况

图4 单元剖分数对积分点曲率及弯矩的影响
  • 轴向应变

最后分析步的轴向应变沿构件长度方向的分布情况如图5所示。由图5可知,柔度法纤维单元内部轴力为常数随着积分点的增加积分点处轴向应变的模拟效果均得到改善

图5 单元剖分数对积分点轴向应变及弯矩的影响
综上:对于强度硬化问题,增加积分点数增加可改善柔度法纤维单元的模拟效果。但对于强度软化问题,由于应变局部化问题的存在(【OpenSees】应力元纤维单元的Localization Issues),积分点的数量(权重)需进一步探讨。
点击“阅读原文”可查看本文实例及相关参考文献

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