搜索ABAQUS與巖土工程（一）——地應(yīng)力平衡（初級(jí)）【轉(zhuǎn)載】
2016-11-14 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
轉(zhuǎn)自:算盤(pán)坊小胖微信號(hào)
地應(yīng)力是個(gè)很神奇的話題。很多寶寶對(duì)這個(gè)概念不是很明了——誰(shuí)沒(méi)有個(gè)年輕的時(shí)候呢?對(duì)吧。首先我們來(lái)回顧一下啥叫地應(yīng)力。小胖不確定這種有點(diǎn)理論性的東西能不能講得準(zhǔn)確。如果您認(rèn)為我講得不對(duì),請(qǐng)及時(shí)溝通。在確認(rèn)的情況下,我會(huì)及時(shí)更正,以免誤人子弟。
(一)地應(yīng)力的含義
以前混論壇的時(shí)候,經(jīng)常會(huì)有非巖土地質(zhì)背景的寶寶問(wèn):“巖土真事逼,從來(lái)沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)什么應(yīng)力平衡啥的?！庇械某跫?jí)巖土寶寶也會(huì)有疑問(wèn)啊,問(wèn)“啥叫地應(yīng)力平衡啊?我直接加個(gè)重力在模型上不就好了嗎?地應(yīng)力平衡是不是只有考慮塑性的時(shí)候才需要呀?ABAQUS真裝B啊,FLAC就沒(méi)這回事啊?”Blah Blah......對(duì)這些人(當(dāng)然包括年輕時(shí)的小胖),小胖想說(shuō):你辣么NB,你咋不上天呢?
我們先來(lái)看看ABAQUS它們家怎么說(shuō)的
?
基本意思人家在自己的幫助文件里也交代清楚了,算是仁至義盡了。咋說(shuō)的呢?就是寶寶們?cè)谒銕r土問(wèn)題的時(shí)候呀,如果直接加上重力等外力,模型的位移會(huì)過(guò)大,因此需要先賦予模型一個(gè)初始的應(yīng)力同時(shí)保證變形不過(guò)大。
明白了么?
其實(shí)小胖年輕時(shí)也一直不是很明白,總覺(jué)得有那么一層窗戶紙沒(méi)通透,心里不夠亮堂?，F(xiàn)在我大體能想明白了。各位寶寶可以想象一下三軸試驗(yàn)。理想狀態(tài)下試件不受重力,那么初始狀態(tài)自然不必定義初始應(yīng)力,也就是內(nèi)力,也就不需要所謂的地應(yīng)力平衡。如果考慮重力,那么重力帶來(lái)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后期加載對(duì)試樣的影響,因此也可以忽略不計(jì)。
但,全尺度的巖土問(wèn)題就是另一回事了。
在地球母親的吸引力下,巖土介質(zhì)的內(nèi)力是很大的,尤其是埋深較深的時(shí)候。這時(shí)候如果有卸載,自然會(huì)影響到整體的變形和位移,這部分因素是需要考慮的。同時(shí),巖土介質(zhì)又是一種應(yīng)力路徑相關(guān)的材料,不同的應(yīng)力路徑會(huì)造成材料不同的力學(xué)性質(zhì),因此初始的地應(yīng)力也是需要考慮的。那么年輕時(shí)的小胖就問(wèn)了:直接加個(gè)重力不就完了嗎?
兩碼事。
當(dāng)前的巖土介質(zhì)中的應(yīng)力,是在長(zhǎng)期重力作用下逐漸固結(jié)沉降后形成的。其初始的變形狀態(tài)并不是你現(xiàn)在所建模型的狀態(tài)。因此,地應(yīng)力平衡的真正目的,只是為了塑造一個(gè)基本符合事實(shí)的狀態(tài)。你平時(shí)腳底下踩的土,就是你現(xiàn)在模擬的初始態(tài),而并不是你虛擬的那個(gè)零變形零應(yīng)力的土體。
話有點(diǎn)繞口,但基本就是這樣子。
現(xiàn)在可以回答有些寶寶的問(wèn)題了:為啥只有ABAQUS有地應(yīng)力平衡?
小胖的回答是
(二)地應(yīng)力平衡方法論——最基本方法(geostress1-m1.cae)
現(xiàn)在開(kāi)始學(xué)習(xí)ABAQUS的小盆友,乃們其實(shí)應(yīng)該很有幸福感了。用過(guò)6.5/6.6的老寶貝兒應(yīng)該都能明白當(dāng)年的苦?，F(xiàn)在ABAQUS中的主流方法應(yīng)該是用Geostatic分析步了。Geostatic分析步有兩個(gè)選擇,有些同學(xué)傻傻分不清楚。
看到?jīng)],一個(gè)是“Fixed”,一個(gè)是“Automatic” 。我們還是來(lái)看看達(dá)索他們家是怎么說(shuō)的:
各位寶寶看到了?達(dá)索他們自己說(shuō),這個(gè)automatic啊,可以根據(jù)你定義的一個(gè)最大位移來(lái)進(jìn)行地應(yīng)力平衡。最大位移的定義,inp文件里就是加個(gè)“utol=displacement tolerance”。在CAE里,就是在上邊那個(gè)圖的“Max.displacements changes”里面進(jìn)行設(shè)置。
?那問(wèn)題來(lái)了:這個(gè)fixed是啥意思呢?
那我們做個(gè)例子吧。
小胖簡(jiǎn)單做了個(gè)實(shí)例,放在網(wǎng)盤(pán)里了,大家可以按照文章開(kāi)頭的方法獲取。
一個(gè)邊長(zhǎng)10m的立方體,前后左右施加位移邊界,底部施加豎向位移邊界,模型頂部自由。暫時(shí)先不考慮水,因此選用C3D8R單元。材料選用線彈性加Mohr-Coulomb塑性準(zhǔn)則。c=10kPa, phi=10°,E=10MPa,泊松比0.35,密度1.8。
我們采用CAE內(nèi)部已有的預(yù)置地應(yīng)力的方法,在Load-Predefined field-Mechanical-Geostatic stress,如下圖
各行的含義aba寶寶們應(yīng)該了然于胸了吧。注意你的地應(yīng)力方向的正負(fù)就好了:本模型中和Z正向相反,因此第二點(diǎn)地應(yīng)力為負(fù)。靜止側(cè)壓力系數(shù)按照v/(1-v)進(jìn)行計(jì)算。注意,軟件只是按照你給定的側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算初始地應(yīng)力,一旦計(jì)算開(kāi)始后,這個(gè)參數(shù)也就沒(méi)用了,豎向和橫向的應(yīng)力關(guān)系靠泊松比來(lái)控制。
然后!
我們選擇了這種初始地應(yīng)力賦值模式,那么就相當(dāng)于默認(rèn)地應(yīng)力是加在Z方向的,所以需要在assembly里旋轉(zhuǎn)一下模型!不信的寶寶可以看下不旋轉(zhuǎn)所賦的地應(yīng)力和平衡效果:
從初始地應(yīng)力S33的分布可以看出,軟件是默認(rèn)Z方向?yàn)榈貞?yīng)力方向的,再看下平衡后的位移,雖然量值都很小,但分布規(guī)律很感人啊。這個(gè)錯(cuò)誤的文件我命名為geostress1-error放在網(wǎng)盤(pán)里。
正確的姿勢(shì)應(yīng)該是在assembly-instance-rotate里面對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn),以使重力方向沿Z軸方向 (當(dāng)然,寶寶們?cè)趐art里建模時(shí)也可以直接考慮Z軸的重力方向)。我們來(lái)看下正確姿勢(shì)下的平衡效果
我們?cè)賮?lái)看下Fixed選項(xiàng)下的平衡效果
總覺(jué)得怪怪的有沒(méi)有。我們看下如果不用Geostatic而用Static, General,計(jì)算結(jié)果如何
結(jié)論是:一樣滴。因此,盡管我們現(xiàn)在看起來(lái)平衡效果也還不錯(cuò),但這只是因?yàn)槲覀兊哪Ｐ褪亲詈?jiǎn)單的一種。稍微復(fù)雜一點(diǎn)的話,Gestatic(Fixed)也不會(huì)得到好的效果,和Static, General其實(shí)是一回事。
寶寶們可以自己試一下。
(三)地應(yīng)力平衡方法論——基本方法(geostress1-m2.cae)
Geostatic方法經(jīng)常搞不定稍微復(fù)雜些的模型。此時(shí),寶寶們可以選擇另一種更普適的方法——不預(yù)設(shè)地應(yīng)力,直接加重力先獲取一個(gè)應(yīng)力,再重建一個(gè)模型導(dǎo)入該應(yīng)力作為初始地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。
首先計(jì)算無(wú)初始地應(yīng)力的情況下的模型,采用Static,General(Geostatic也是可以的)分析步,我們看計(jì)算完成的位移云圖
可以看出位移比較大。如果按照某些寶寶的意見(jiàn)不進(jìn)行平衡,那么后期的開(kāi)挖等施工就直接在這個(gè)有如此明顯的初始位移的模型上進(jìn)行,那和我們實(shí)際要求的就不是一回事了。
然后我們繼續(xù)進(jìn)行平衡,以這個(gè)odb文件應(yīng)力為初始應(yīng)力,我們?cè)赾ae里新建一個(gè)job,同時(shí)在predefined field-stress中設(shè)置初始地應(yīng)力(小胖現(xiàn)在已經(jīng)基本不使用手動(dòng)導(dǎo)出地應(yīng)力csv文件再導(dǎo)入了,太麻煩了),見(jiàn)下圖
Continue后,選取整個(gè)模型,見(jiàn)下圖
Specification里我們選擇from output database file,也就是剛才的odb文件
剛才的Job-1我們只進(jìn)行了一個(gè)增量步的計(jì)算,因此step選1(一般都是選擇1),increment選1。然后OK。
然后新建一個(gè)job進(jìn)行計(jì)算。我們看下計(jì)算結(jié)果:
最大位移只有1.3e-5 m,還算不錯(cuò)。小胖一般平衡到0.5 mm以下就滿足了,因?yàn)檫@個(gè)精度在實(shí)際工程監(jiān)測(cè)時(shí)都不見(jiàn)得能達(dá)到。
注意這種平衡方法并不適合多孔介質(zhì)弾性模型(因此也就不適合臨界狀態(tài)塑性,因?yàn)檫@兩者是綁定的),后續(xù)我還會(huì)繼續(xù)介紹多孔介質(zhì)弾性模型下的地應(yīng)力平衡,地表不平整情況下的平衡以及有建構(gòu)筑物時(shí)的地應(yīng)力平衡,敬請(qǐng)期待。
??
鎮(zhèn)樓啦啦啦
(Johnson, J. B., et al. (2015). "Discrete element method simulations of Mars Exploration Rover wheel performance." Journal of Terramechanics 62: 31-40.)
————誰(shuí)說(shuō)巖土是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)呢?
?
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