Phần tử bê tông SOLID65 trong ANSYS

Bê tông là một trong những vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó có thể dễ dàng kết hợp với cốt thép, thép hình, ống thép cùng với một vài vật liệu kết cấu khác tạo thành nhiều loại nhiều dạng ứng dụng trong các loại hình thức kết cấu. Để lý giải chi tiết cơ chế chịu lực và quá trình phá hoại của kết cấu bê tông, thường phải lợi dụng phần tử khối ba chiều tiến hành phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến tính. Phần tử SOLID65 của Ansys là phần tử chuyên mô phỏng vật liệu có khả năng chịu nén lớn hơn rất nhiều khả năng chịu kéo như bê tông, đá….Nó có thể mô phỏng cốt thép gia cường trong bê tông (hoặc thép lưới, thép hình…), cùng với hiện tượng kéo nứt và nén vỡ của vật liệu. Đây là phần tử 3D 8 điểm nút dựa trên nền tảng của phần tử SOLID45 bổ sung thêm tham số tính năng của bê tông và tổ hợp thức mô hình cốt thép. Phần tử SOLID65 nhiều nhất có thể định nghĩa ba loại vật liệu gia cố khác nhau, tức là phần tử này cho phép đồng thời dùng cùng lúc bốn loại vật liệu. Vật liệu bê tông có khả năng nứt, nén vỡ, biến dạng dẻo và xoắn; vật liệu gia cường chỉ có khả năng chịu kéo nén, không có khả năng chịu lực cắt.
(1) Giả thiết
 Chỉ cho phép mỗi một điểm tích phân nứt theo phương chính giao.
 Sau khi trên điểm tích phân xuất hiện vết nứt, sẽ thông qua điều chỉnh thuộc tính vật liệu để mô phỏng nứt, phương thức xử lý nứt sử dụng mô hình phân bố mà không phải là mô hình rời rạc.
 Vật liệu bê tông ban đầu là đẳng hướng.
 Ngoài nứt và nén vỡ, bê tông cũng có thể phát sinh biến hình tính dẻo, thường sử dụng mô hình mặt phá hoại Drucker-Prager mô phỏng tính dẻo của nó xem là quan hệ ứng suất biến dạng. Dưới tình trạng này, thông thường trước khi giả thiết nứt và nén vỡ, biến hình tính dẻo đã hoàn thành.
(2) Phương pháp sử dụng
1. Nhập số liệu cơ bản
Phần tử SOLID65 bao gồm một loại vật liệu thực thể và ba loại vật liệu gia cố (thông thường là cốt thép), có thể dùng mệnh lệnh MAT định nghĩa hằng số vật liệu bê tông; còn hằng số vật liệu gia cố có thể định nghĩa trong hằng số thực, bao gồm mã vật liệu, suất thể tích, góc phương hướng (có thể dùng mệnh lệnh /Eshape để kiểm tra). Suất thể tích là chỉ giá trị tỉ lệ thể tích của vật liệu gia cố với thể tích phần tử tổng thể. Phương của vật liệu gia cố thông qua hai góc trong hệ toạ độ phần tử để định nghĩa. Khi mã vật liệu gia cố là 0 hoặc giống mã vật liệu phần tử, coi như bỏ qua thuộc tính vật liệu gia cố.
Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete, xuất hiện cửa sổ Real Constant for Number 1 cho SOLID65. Trong cửa sổ này định nghĩa vật liệu cốt thép, tỉ lệ thể tích cốt thép, góc TH và PH…
2. Định nghĩa Keyopt
Keyopt(1)  dùng khống chế biến hình lớn.
Keyopt(5) dùng để khống chế tuyến tính.
Keyopt(6) dùng để khống chế phi tuyến tính.
3. Định nghĩa vật liệu bê tông
Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models , lựa chọn Concrete để định nghĩa tham số tiêu chuẩn phá hoại.
ShrCf-Op: hệ số chuyền lực cắt khi mở vết nứt.
ShrCf-Cl: hệ số chuyền lực cắt khi đóng vết nứt.
UnTensSt: cường độ kháng kéo.
UnCompst: cường độ kháng nén đơn trục.
BiCompSt: cường độ kháng nén hai trục.
HydroPrs: áp lực thủy tĩnh.
BiCompSt: cường độ kháng nén hai trục dưới áp lực thủy tĩnh.
UnTensSt: cường độ kháng nén đơn trục dưới áp lực thủy tĩnh.
TenCrFac: nhân tố giảm yếu ứng suất kéo.

Dưới đây là một ví dụ định nghĩa vật liệu bê tông (tham khảo Analysis for Concrete Structure under Complex Stress Condition with Solid 65 FEA Element of ANSYS – LU Xinzheng, JIANG Jianjing – Department of Civil Engineering, Tsinghua University).

/PREP7
!*
ET,1,SOLID65
!*
R,1,3, , , ,3, ,
RMORE, , ,3, , , ,
!*
UIMP,1,EX, , ,30e3,
UIMP,1,NUXY, , ,.2,
UIMP,1,ALPX, , , ,
UIMP,1,REFT, , , ,
UIMP,1,MU, , , ,
UIMP,1,DAMP, , , ,
UIMP,1,DENS, , , ,
!*
UIMP,3,EX, , ,200e3,
UIMP,3,NUXY, , ,.27,
UIMP,3,ALPX, , , ,
UIMP,3,REFT, , , ,
UIMP,3,MU, , , ,
UIMP,3,DAMP, , , ,
UIMP,3,DENS, , , ,
!*
TB,MKIN,1, , , ,
!*
TBMODIF,1,2,0.0005
TBMODIF,1,3,0.001
TBMODIF,1,4,0.002
TBMODIF,1,5,0.0025
TBMODIF,1,6,0.0038
TBMODIF,2,2,15
TBMODIF,2,3,24
TBMODIF,2,4,30
TBMODIF,2,5,29
TBMODIF,2,6,22
TB,CONCR,1, , , ,
!*
TBMODIF,2,1,0.6
TBMODIF,3,1,0.95
TBMODIF,4,1,3
TBMODIF,5,1,28
TB,BKIN,3, , , ,
!*
TBMODIF,2,1,210
TBMODIF,3,1,2e3

(3) Tổ hợp bê tông với vật liệu khác
1. Tổ hợp với cốt thép
Tổ hợp bê tông với cốt thép là một loại phương thức tổ hợp thường gặp nhất, thông thường có ba phương pháp lựa chọn:
* Mô hình phân ly
Bê tông và cốt thép xem là phần tử không giống nhau để xử lý, tức là bê tông và cốt thép tự mỗi bộ phận phân chia thành phần tử nhỏ, ma trận độ cứng của chúng phân tách để giải, coi cốt thép là một loại vật liệu nhỏ dài, thông thường có thể bỏ qua cường độ kháng cắt hướng ngang, vì vậy có thể xem cốt thép là phần tử thanh, có thể dụng phần tử LINK8 để xây dựng mô hình cốt thép. Giữa bê tông và cốt thép có thể thêm vào phần tử dính kết để mô phỏng chuyển vị và dính kết giữa bê tông và cốt thép. Thông thường bê tông cốt thép tồn tại nứt, nứt rõ ràng dẫn đến biến hình bê tông và cốt thép không giống nhau, hay nói cách khác là phát sinh mất hiệu lực dính kết với dịch chuyển tương đối, vì vậy mô hình này được ứng dụng rộng rãi nhất.
* Mô hình chỉnh thể
Cốt thép phân bố trong phần tử chỉnh thể, giả định bê tông và cốt thép dính kết rất tốt, đồng thời phần tử được xem là vật liệu đồng đều liên tục. Mô hình này khác mô hình phân ly ở chỗ nó đã tổng hợp ma trận độ cứng phần tử bê tông và cốt thép.
* Mô hình tổ hợp
Mô hình tổ hợp lại phân thành hai loại: một loại là hình thức tổ hợp phân lớp, trên mặt cắt ngang phân thành nhiều lớp bê tông và một vài lớp cốt thép, phương thức tổ hợp này ứng dụng rộng rãi trong kết cấu bản, vỏ bê tông cốt thép;  phương pháp tổ hợp khác được sử dụng phần tử đẳng tham số màng đai cốt thép.
2. Tổ hợp với thép hình cùng với vật liệu khác
Thông thường khi tổ hợp bê tông với thép hình, do kích thước mặt cắt thép hình lớn, lực cắt trên mặt tiếp giáp lớn, mà còn mặt tiếp giáp thép hình khá nhẵn, vì vậy cần phải xem xét chuyển vị tương đối giữa bê tông và thép hình. Trong ANSYS có hai loại phương pháp xây dựng mô hình: Lợi dụng phần tử lò xo phi tuyến tính COMBIN39 và lợi dụng phần tử tiếp xúc để mô phỏng.