ABAQUS應(yīng)用于土石壩數(shù)值計(jì)算的技巧總結(jié)

1、ABAQUS 應(yīng)用于土石壩數(shù)值計(jì)算的技巧總結(jié)作者： dailinghuiABAQUS 軟件是國際著名的有限元通用軟件，功能非常強(qiáng)大，但是在進(jìn)行 土石壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算這一專業(yè)而又復(fù)雜的問題上， 還存在一些局限性。 因此，必 須對(duì)軟件和計(jì)算問題有深入的了解， 才能找到解決辦法， 突破局限性。 為了便于 溝通和交流，本文對(duì) ABAQUS 軟件進(jìn)行土石壩計(jì)算時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)技巧加以總結(jié) 和探討。共分為初始建模、網(wǎng)格劃分、地應(yīng)力平衡、無限元節(jié)點(diǎn)調(diào)整、增量步設(shè) 置、計(jì)算過程控制、結(jié)果后處理幾個(gè)部分進(jìn)行總結(jié)。一、初始建模1、ABAQUS CAE 建模： ABAQUS 軟件的前處理功能比較強(qiáng)大，可以通過 人性化的界

2、面來建立幾何模型。 但是廣大工程人士最為了解和熟悉的畫圖軟件當(dāng) 屬 AutoCAD 。 ABAQUS 軟件有專門的接口，可以將格式為 dxf 的 CAD 文件導(dǎo) 入進(jìn)來。在導(dǎo)入的過程中，可以采用以下步驟來進(jìn)行： （1）首先將原始圖形（壩 體剖面圖）導(dǎo)到Skectch模塊；（2）在Part模塊中建立Part （壩體）的時(shí)候，由 于ABAQUS只允許外邊框存在，而不能有內(nèi)部線，因此，可以先把Skectch模塊中的壩體剖面圖全部添加進(jìn)來，只保留壩體的外邊框，將其余的線條都刪去；（3）對(duì)Part進(jìn)行Partition分割操作：把壩體剖面圖全部添加進(jìn)來，只保留分割 壩體所需要用到的線條， 把其他多余線條

3、全部刪去， 包括壩體的外邊框。 建第二 個(gè)、第三個(gè) Part 的時(shí)候，重復(fù)以上操作即可。采用上述方法建模的好處是，整 個(gè)建模過程用到的所有線條，都是基于原始圖形（壩體剖面圖）的，因此可以避 免線條有交叉、結(jié)點(diǎn)不重合等情況的發(fā)生。而且在Assembly 模塊里將各個(gè) Part進(jìn)行組裝的時(shí)候，不但不需要再調(diào)整各個(gè)Part位置，還能保證各個(gè)Part之間接觸面完全重合，為建立正確的接觸關(guān)系打下基礎(chǔ)。2、其他前處理軟件建模： ABAQUS 軟件的前處理功能是基于“自上而下” 的思路設(shè)計(jì)的，即先建出模型的整體，然后根據(jù)不同部位的要求切出各個(gè)小塊。 而其他有限元軟件中還有另外一種建模思路 “自下而上” 的思

4、路， 即首先按 不同部位的要求建出各個(gè)小塊，然后再組合成整體。專業(yè)的前處理軟件有很多，比較知名的有Patran軟件、Hypermesh軟件等。Patran軟件是基于“自下而上” 的建模思路設(shè)計(jì)的，它可以為 ABAQUS 做專業(yè)的前處理，最終生成 ABAQUS 的輸入文件，即 inp 文件。用 Patran 為 ABAQUS 作前處理時(shí)，建議在進(jìn)行 Equivalence 操作（即將各個(gè)小塊組合成整體）之后，對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行一次 Renumber 操作，即對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)重新編號(hào)。如果不進(jìn)行這項(xiàng)操作，也不會(huì)對(duì)計(jì) 算和最終結(jié)果產(chǎn)生影響，但是在對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)，將會(huì)遇到麻煩。例如用 Tecplot軟件

5、（專業(yè)的后處理軟件）進(jìn)行后處理時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)不連續(xù)， 將會(huì)導(dǎo)致無法單獨(dú)挑出關(guān)心部位，如心墻。而進(jìn)行了Renu mber操作之后，就能避免這種情況的發(fā)生。二、網(wǎng)格劃分在對(duì)瀝青混凝土心墻壩劃分網(wǎng)格時(shí)， 由于心墻與整個(gè)壩體相比， 厚度方向的 尺寸顯得非常小， 但不能據(jù)此在心墻厚度方向上只劃分一層網(wǎng)格。 因?yàn)橐粚泳W(wǎng)格 會(huì)導(dǎo)致整個(gè)心墻的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)际艿浇佑|面的影響， 從而產(chǎn)生較大誤差。 如果采 用其他后處理軟件（如Tecplot）對(duì)ABAQUS的結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)，兩種材料交 界面上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值會(huì)被強(qiáng)行平均， 這種情況下， 如果心墻厚度方向上只有一層 網(wǎng)格，內(nèi)部進(jìn)行插值后， 最終得到的整個(gè)心墻的應(yīng)

6、力值就是完全錯(cuò)誤的。 所以心 墻厚度方向上至少應(yīng)劃分2層4層網(wǎng)格。三、地應(yīng)力平衡有深厚覆蓋層存在時(shí)， 壩基的地應(yīng)力平衡就是必不可少的。 進(jìn)行地應(yīng)力平衡 時(shí)，首先只對(duì)壩基施加重力荷載， 然后從結(jié)果文件中讀出壩基各個(gè)單元的應(yīng)力分 量，將其保存到一個(gè)文本文檔里。然后借助 Excel 軟件讀取應(yīng)力文檔進(jìn)行格式調(diào) 整和處理，將其轉(zhuǎn)換為 ABAQUS 可以識(shí)別的格式。在這個(gè)過程需要注意一個(gè)問 題，即 Excel 軟件讀取應(yīng)力文檔之后，默認(rèn)的科學(xué)記數(shù)法的小數(shù)位數(shù)是 2 位，而 ABAQUS 的數(shù)據(jù)是采用 6 位有效數(shù)字的， 即用科學(xué)記數(shù)法表達(dá)時(shí)， 有 5 位小數(shù)。 因此，在 Excel 里需要將小數(shù)調(diào)成 5

7、位，這樣在進(jìn)行地應(yīng)力平衡時(shí)可以減小誤差， 得到更為精確的結(jié)果。般情況下， 如果壩基的材料采用彈性模型或者摩爾庫侖模型時(shí)， 進(jìn)行一次 地應(yīng)力平衡的結(jié)果可以使位移降至 10-17m 的數(shù)量級(jí)，效果非常好。但是壩基材 料采用鄧肯張模型時(shí)， 一次地應(yīng)力平衡的結(jié)果一般只能使位移降至 10-4m 的數(shù)量 級(jí)，而且位移的最大值可能達(dá)到 10-3m 的數(shù)量級(jí)。這種情況下，如果對(duì)結(jié)果要求 嚴(yán)格，可重復(fù)進(jìn)行一次或兩次地應(yīng)力平衡， 一般能使位移再降低12個(gè)數(shù)量級(jí)， 而再進(jìn)行更多次的地應(yīng)力平衡，就不會(huì)有明顯的效果了。四、無限元節(jié)點(diǎn)調(diào)整無限元在 ABAQUS 軟件中的實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單， 雖然無法在 ABAQUS CAE

8、 里直接劃分，但可以通過在 inp 文件里面修改關(guān)鍵字來很容易地實(shí)現(xiàn)。不過前提 是無限元部分必需首先生成一個(gè)單元集， 這一點(diǎn)可以通過以下方法來實(shí)現(xiàn)： 在對(duì) 壩基遠(yuǎn)場(chǎng)為無限元的計(jì)算模型劃分網(wǎng)格時(shí)，壩體和壩基近場(chǎng)劃分為 CPE4 單元， 壩基遠(yuǎn)場(chǎng)劃分為 CPE4R 單元，即四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變減縮積分單元。然而這 里并不需要用這種單元，而只是將它作為一個(gè)中介，與 CPE4 單元區(qū)分開，生成 單獨(dú)的單元集合，而后在 inp 文件里面，只需要將關(guān)鍵字 CPE4R 改為 CINPE4 （四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變無限單元）即可。其次，無限元能夠最終實(shí)現(xiàn)的另外一個(gè)重要前提是， 節(jié)點(diǎn)按逆時(shí)針方向編號(hào)， 并且要確保

9、無限元的第一個(gè)面是與有限元交接的面， 這一項(xiàng)必須通過手動(dòng)修改完 成。建議將 inp 文件中無限單元部分的節(jié)點(diǎn)號(hào)導(dǎo)入 Excel 軟件中進(jìn)行調(diào)整。在土 石壩計(jì)算中，壩基遠(yuǎn)場(chǎng)的無限元又可以分為三個(gè)小部分， 即位壩基下方的無限元、 位于壩基左邊的無限元和位于壩基右邊的無限元。 在每個(gè)小部分中， 單元的節(jié)點(diǎn) 排列順序都是一樣的，可以在 CAE 中查詢，然后將該部分的節(jié)點(diǎn)順序統(tǒng)一調(diào)整 為無限元所要求的正確順序。這樣，只需要在 Excel 軟件中對(duì)三個(gè)小部分分別進(jìn) 行統(tǒng)一調(diào)整，而無需一個(gè)一個(gè)地調(diào)整，大大簡(jiǎn)化了工作量。五、增量步設(shè)置ABAQUS 中每個(gè)分析步的增量步是按比例因子將每級(jí)荷載逐步施加到模型 上的

10、，這一點(diǎn)與增量法的本質(zhì)相同。因此，在用 ABAQUS 進(jìn)行土石壩計(jì)算時(shí)， 除了壩體分層填筑是按增量法的思想計(jì)算之外， 每個(gè)填筑層本身也是按增量法逐 步施加荷載的，前者體現(xiàn)在各個(gè)分析步上，后者體現(xiàn)在每個(gè)分析步的增量步上。增量步是人為設(shè)置的，如果將其定為 1，即填筑層的重力只按一個(gè)增量來施加， 則最終結(jié)果就沒有體現(xiàn)分析步內(nèi)的非線性， 而且還有可能導(dǎo)致計(jì)算不收斂。 通過 對(duì)比分析，將最大增量步設(shè)為 0.1，即每個(gè)分析步的荷載至少按 10 個(gè)增量步來施 加，就能較好地體現(xiàn)分析步內(nèi)每個(gè)填筑層對(duì)壩體非線性的影響。六、計(jì)算過程控制對(duì)于同一個(gè)具體工程問題而言， 二維模型與三維模型相比， 網(wǎng)格數(shù)量少、 計(jì) 算時(shí)

11、間短、結(jié)果文件小， 在計(jì)算中出現(xiàn)問題的可能性也小。 但是在三維模型大規(guī) 模計(jì)算中，可能出現(xiàn)以下問題：計(jì)算中突然斷電或死機(jī)，導(dǎo)致計(jì)算白費(fèi)；結(jié)果文 件過大，導(dǎo)致磁盤空間不足而退出計(jì)算， 或者即使算完了， 打開讀取時(shí)也非常慢。鑒于上述兩種情況，可以在inp文件里添加關(guān)鍵字進(jìn)行控制。首先通過*restart, write, frequency=n 來設(shè)置生成重啟動(dòng)文件， 數(shù)字 n 表明在一個(gè)分析步中計(jì)算多少 個(gè)增量步后更新一次重啟動(dòng)文件， 一般為了減小重啟動(dòng)文件的大小， 可以給它一 個(gè)較大值，如 999，這樣 n 值大于分析步中總共的增量步個(gè)數(shù)，就會(huì)只在分析步 結(jié)束時(shí)才更新一次重啟動(dòng)文件。 有了重啟動(dòng)

12、文件之后， 如果出現(xiàn)突然斷電或死機(jī) 等情況時(shí)，可以在電腦恢復(fù)運(yùn)行之后，重新啟動(dòng)接著計(jì)算。其次，通過 *Output, field, frequency=n 來控制結(jié)果文件寫入的頻率，同樣可 以給n個(gè)較大值，如999,這樣就只將分析步結(jié)束時(shí)的計(jì)算結(jié)果寫入到 odb文 件里，從而能夠大幅減小結(jié)果文件的大小，方便讀取和后處理。七、結(jié)果后處理1、物理量極值的提?。捍蜷_結(jié)果文件后，如果顯示某一物理量的云圖，則 圖例中的上限值和下限值就分別是當(dāng)前顯示區(qū)域的該物理量的最大值和最小值。 如果需要查看不同部位、不同材料（如堆石體和心墻）的物理量極值，可以通過 兩種方法來實(shí)現(xiàn)：（1）用 Display group

13、 將關(guān)心部分單獨(dú)顯示出來，然后通過圖 例讀取極值；（2）用Report field output將所有區(qū)域的各物理量極值都寫入到一 個(gè)文件里， ABAQUS 會(huì)自動(dòng)在該文件里把所有區(qū)域的各物理量極值都顯示出來， 并且還會(huì)顯示發(fā)生位置的節(jié)點(diǎn)號(hào)。 第一種方法比較簡(jiǎn)潔和直觀， 第二種方法比較 全面和方便。建議根據(jù)具體需求選擇相應(yīng)的方法。2、云圖和等值線圖的繪制： ABAQUS 可以顯示彩色云圖和彩色等值線圖， 如果需要畫黑白等值線圖，建議采用其他后處理軟件，如 Tecplot 軟件，該軟件 可以直接打開ABAQUS的odb結(jié)果文件。但是用Tecplot打開odb文件之后，建 議不要直接繪制等值線圖，

14、原因如下： （1）ABAQUS 中的應(yīng)力表達(dá)采用的是彈 塑性力學(xué)中的規(guī)定， 而一般的工程報(bào)告或論文中常采用土力學(xué)中的規(guī)定， 其對(duì)應(yīng) 關(guān)系是， ABAQUS 中的大主應(yīng)力對(duì)應(yīng)土力學(xué)中的小主應(yīng)力負(fù)值、小主應(yīng)力對(duì)應(yīng) 大主應(yīng)力負(fù)值；（2）等值線圖中要求的各物理量的單位與 odb文件中的不一定相 符，例如等值線圖中要求應(yīng)力的單位為MPa,而odb文件中的應(yīng)力單位為 Pa；（3）odb文件中的某些物理量無法導(dǎo)入到 Tecplot軟件里，從而致使無法畫出統(tǒng) 一的等值線圖，如應(yīng)力水平；（4） Tecplot軟件無法直接對(duì)odb文件進(jìn)行分組顯 示，導(dǎo)致不能單獨(dú)畫出某一關(guān)心部分的等值線圖，如心墻。鑒于以上各種情況

15、， 建議采用以下方法和步驟來解決：（1用Tecplot軟件打開odb文件之后，首先 用 Write data file 功能，將某個(gè)工況下所關(guān)心的所有物理量值以及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)寫到 一個(gè)data文件里；（2）將data文件中的物理量值導(dǎo)入 Excel軟件中進(jìn)行符號(hào)和單 位變換之后，再重新導(dǎo)回data文件中；（3）將odb文件中不能導(dǎo)到Tecplot里的 某個(gè)物理量先從 odb 文件里寫出來， 寫入到一個(gè)文本文檔中， 然后再把這些數(shù)值 復(fù)制到data文件中各個(gè)物理量數(shù)值的后面，再在 data文件里給新添加進(jìn)去的物 理量賦予一個(gè)名字，即在 VARIABLES的后面寫一個(gè)名字即可；（4）將data文 件中

16、列出的整個(gè)有限元模型的所有單元， 替換為關(guān)心部位的單元， 并修改單元總 數(shù)；（5）對(duì)于三維模型要畫二維等值線圖的特殊情況，采用Tecplot軟件中的切片功能即可。通過以上各個(gè)步驟的操作，可基本解決 ABAQUS 軟件和 Tecplot 軟件的對(duì)接問題，從而畫出準(zhǔn)確、明晰、符合要求的等值線圖。本文總結(jié)了 ABAQUS 軟件應(yīng)用于土石壩數(shù)值計(jì)算的一些經(jīng)驗(yàn)和技巧，分別 從建模、計(jì)算和結(jié)果處理等各個(gè)方面進(jìn)行了探討，主要得出以下主要經(jīng)驗(yàn)：（1）基于一張Skectch草圖建立所有的Part，以建出精確的幾何模型；（2）心墻厚度 方向上至少劃分2層4層網(wǎng)格，以使計(jì)算結(jié)果趨于真實(shí)；（3）在進(jìn)行地應(yīng)力平 衡時(shí)，將導(dǎo)入的應(yīng)力文件中數(shù)值的