搜索ABAQUS與巖土工程（一）——地應力平衡（初級）【轉載】
2016-11-14 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
轉自:算盤坊小胖微信號
地應力是個很神奇的話題。很多寶寶對這個概念不是很明了——誰沒有個年輕的時候呢?對吧。首先我們來回顧一下啥叫地應力。小胖不確定這種有點理論性的東西能不能講得準確。如果您認為我講得不對,請及時溝通。在確認的情況下,我會及時更正,以免誤人子弟。
(一)地應力的含義
以前混論壇的時候,經常會有非巖土地質背景的寶寶問:“巖土真事逼,從來沒聽說過什么應力平衡啥的。”有的初級巖土寶寶也會有疑問啊,問“啥叫地應力平衡啊?我直接加個重力在模型上不就好了嗎?地應力平衡是不是只有考慮塑性的時候才需要呀?ABAQUS真裝B啊,FLAC就沒這回事啊?”Blah Blah......對這些人(當然包括年輕時的小胖),小胖想說:你辣么NB,你咋不上天呢?
我們先來看看ABAQUS它們家怎么說的
?
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。咋說的呢?就是寶寶們在算巖土問題的時候呀,如果直接加上重力等外力,模型的位移會過大,因此需要先賦予模型一個初始的應力同時保證變形不過大。
明白了么?
其實小胖年輕時也一直不是很明白,總覺得有那么一層窗戶紙沒通透,心里不夠亮堂。現在我大體能想明白了。各位寶寶可以想象一下三軸試驗。理想狀態下試件不受重力,那么初始狀態自然不必定義初始應力,也就是內力,也就不需要所謂的地應力平衡。如果考慮重力,那么重力帶來的影響遠遠小于后期加載對試樣的影響,因此也可以忽略不計。
但,全尺度的巖土問題就是另一回事了。
在地球母親的吸引力下,巖土介質的內力是很大的,尤其是埋深較深的時候。這時候如果有卸載,自然會影響到整體的變形和位移,這部分因素是需要考慮的。同時,巖土介質又是一種應力路徑相關的材料,不同的應力路徑會造成材料不同的力學性質,因此初始的地應力也是需要考慮的。那么年輕時的小胖就問了:直接加個重力不就完了嗎?
兩碼事。
當前的巖土介質中的應力,是在長期重力作用下逐漸固結沉降后形成的。其初始的變形狀態并不是你現在所建模型的狀態。因此,地應力平衡的真正目的,只是為了塑造一個基本符合事實的狀態。你平時腳底下踩的土,就是你現在模擬的初始態,而并不是你虛擬的那個零變形零應力的土體。
話有點繞口,但基本就是這樣子。
現在可以回答有些寶寶的問題了:為啥只有ABAQUS有地應力平衡?
小胖的回答是
(二)地應力平衡方法論——最基本方法(geostress1-m1.cae)
現在開始學習ABAQUS的小盆友,乃們其實應該很有幸福感了。用過6.5/6.6的老寶貝兒應該都能明白當年的苦。現在ABAQUS中的主流方法應該是用Geostatic分析步了。Geostatic分析步有兩個選擇,有些同學傻傻分不清楚。
看到沒,一個是“Fixed”,一個是“Automatic” 。我們還是來看看達索他們家是怎么說的:
各位寶寶看到了?達索他們自己說,這個automatic啊,可以根據你定義的一個最大位移來進行地應力平衡。最大位移的定義,inp文件里就是加個“utol=displacement tolerance”。在CAE里,就是在上邊那個圖的“Max.displacements changes”里面進行設置。
?那問題來了:這個fixed是啥意思呢?
那我們做個例子吧。
小胖簡單做了個實例,放在網盤里了,大家可以按照文章開頭的方法獲取。
一個邊長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塑性準則。c=10kPa, phi=10°,E=10MPa,泊松比0.35,密度1.8。
我們采用CAE內部已有的預置地應力的方法,在Load-Predefined field-Mechanical-Geostatic stress,如下圖
各行的含義aba寶寶們應該了然于胸了吧。注意你的地應力方向的正負就好了:本模型中和Z正向相反,因此第二點地應力為負。靜止側壓力系數按照v/(1-v)進行計算。注意,軟件只是按照你給定的側壓力系數計算初始地應力,一旦計算開始后,這個參數也就沒用了,豎向和橫向的應力關系靠泊松比來控制。
然后!
我們選擇了這種初始地應力賦值模式,那么就相當于默認地應力是加在Z方向的,所以需要在assembly里旋轉一下模型!不信的寶寶可以看下不旋轉所賦的地應力和平衡效果:
從初始地應力S33的分布可以看出,軟件是默認Z方向為地應力方向的,再看下平衡后的位移,雖然量值都很小,但分布規律很感人啊。這個錯誤的文件我命名為geostress1-error放在網盤里。
正確的姿勢應該是在assembly-instance-rotate里面對模型進行旋轉,以使重力方向沿Z軸方向 (當然,寶寶們在part里建模時也可以直接考慮Z軸的重力方向)。我們來看下正確姿勢下的平衡效果
我們再來看下Fixed選項下的平衡效果
總覺得怪怪的有沒有。我們看下如果不用Geostatic而用Static, General,計算結果如何
結論是:一樣滴。因此,盡管我們現在看起來平衡效果也還不錯,但這只是因為我們的模型是最簡單的一種。稍微復雜一點的話,Gestatic(Fixed)也不會得到好的效果,和Static, General其實是一回事。
寶寶們可以自己試一下。
(三)地應力平衡方法論——基本方法(geostress1-m2.cae)
Geostatic方法經常搞不定稍微復雜些的模型。此時,寶寶們可以選擇另一種更普適的方法——不預設地應力,直接加重力先獲取一個應力,再重建一個模型導入該應力作為初始地應力進行計算。
首先計算無初始地應力的情況下的模型,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不進行平衡,那么后期的開挖等施工就直接在這個有如此明顯的初始位移的模型上進行,那和我們實際要求的就不是一回事了。
然后我們繼續進行平衡,以這個odb文件應力為初始應力,我們在cae里新建一個job,同時在predefined field-stress中設置初始地應力(小胖現在已經基本不使用手動導出地應力csv文件再導入了,太麻煩了),見下圖
Continue后,選取整個模型,見下圖
Specification里我們選擇from output database file,也就是剛才的odb文件
剛才的Job-1我們只進行了一個增量步的計算,因此step選1(一般都是選擇1),increment選1。然后OK。
然后新建一個job進行計算。我們看下計算結果:
最大位移只有1.3e-5 m,還算不錯。小胖一般平衡到0.5 mm以下就滿足了,因為這個精度在實際工程監測時都不見得能達到。
注意這種平衡方法并不適合多孔介質弾性模型(因此也就不適合臨界狀態塑性,因為這兩者是綁定的),后續我還會繼續介紹多孔介質弾性模型下的地應力平衡,地表不平整情況下的平衡以及有建構筑物時的地應力平衡,敬請期待。
??
鎮樓啦啦啦
(Johnson, J. B., et al. (2015). "Discrete element method simulations of Mars Exploration Rover wheel performance." Journal of Terramechanics 62: 31-40.)
————誰說巖土是夕陽產業呢?
?
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