LS-DYNA数值模拟：弹丸侵彻钢筋混凝土结构

1. 模型简介

此案例运用钢筋混凝土blank" style="color: rgb(51, 51, 51);">ANSYS/LS-DYNA计算弹丸对钢筋混凝土结构的侵彻过程。采用不共节点分离式建模法建立计算模型，梁单元和实体单元采用CLIS方法进行耦合。案例主要的作用是计算方法和思路的学习，模型中所用材料均来自于公开文献，请读者知悉。

通过此案例，能够完全掌握如下数值计算要点：

1）钢筋混凝土不共节点分离式建模方法；

2）梁单元和实体单元的耦合算法和接触算法设置；

3）混凝土损伤参数查看方法；

4）钢筋应力应变查看方法；

LS-DYNA | 弹丸对钢筋混凝土结构侵彻数值模拟的图3

图1 混凝土侵彻模型

2. 钢筋混凝土建模方法

LS_DYNA软件支持一下三种钢筋混凝土模型（参考于《TrueGrid和钢筋混凝土结构com/qa/2977" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(51, 51, 51);">LS-DYNA动力学数值计算详解》辛春亮、刘安阳编著）。

2.1. 整体式模型（简称PLAIN模型）

整体式模型忽略钢筋，将钢筋均匀地分散在混凝土中，等效近似为一种强度增强的混凝土材料，这种均质化模型容易快速建模，计算效率高，缺点钢筋混凝土反映钢筋的编排形式等对混凝土强度的影响。

2.2. 组合式模型

这种模型可在一种单元内分别考虑混凝土和钢筋，两种材料之间假定为无滑移粘接，变形协调一致，通过体积加权计算钢筋混凝土材料模型的等效参数。组合式模型是对整体式模型的改进，但同样作为等效模型，组合式模型也无法真实反映钢筋的编排形式等对混凝土混凝土损伤。计算结果后处理时无法查看钢筋和混凝土的相互位置关系、配筋率以及钢筋变形破坏情况。

2.3. 分离式模型

分离式模型将钢筋和混凝土模型分别用不同的单元来描述。根据钢筋和混凝土是否共节点又可分为：

2.3.1. 共节点分离式模型（简称MERGE模型）

这种方式下钢筋和混凝土之间完全粘接，钢筋和混凝土必须同时采用拉格朗日或ALE类型。采用拉格朗日单元的共节点分离模型计算效率相对较高，缺点是建模复杂，混凝土网格受到钢筋编排的制约。（先分别建模，然后节点merge处理）

2.3.2. 不共节点分离式模型

不共节点分离式模型的优点是钢筋和混凝土分别划分网格，相同位置处节点并不相同，网格可以重叠，模型建立更方便，通过相关约束关键字约束钢筋和混凝土之间的耦合关系。在ls_dyna中可采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID（简称CLIS）、*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID（简称CBIS）、*DEFINE_BEAM_SOLID_COUPLING（简称DBSC）关键字实现。这几种关键字均将钢筋约束耦合在混凝土中来模拟钢筋和混凝土的相互作用，在约束耦合关系中钢筋为从面，混凝土为主面。常用CLIS和CBIS耦合方法。

3. 数值计算结果

LS-DYNA | 弹丸对钢筋混凝土结构侵彻数值模拟的图4