地應(yīng)力平衡的一個(gè)簡單例子

1、地應(yīng)力平衡方法熊志勇 陳功奇第一部分 地應(yīng)力平衡方法簡介地應(yīng)力平衡有三種方法:(1 *initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或 inp該方法中的文件 FILENAME.INP 獲取方法為 :首先將已知邊界條件施加到模型上進(jìn)行 正演計(jì)算 , 然后一般是將計(jì)算得到的每個(gè)單元的應(yīng)力外插到形心點(diǎn)處并導(dǎo)出 6個(gè)應(yīng)力分 量 (也可以導(dǎo)出積分點(diǎn)處的應(yīng)力分量 , 視要求平衡的精確程度而定 。其所采用的幾何模 型可以考慮地表起伏不平的情況以及巖土材料極其不均勻的情況 , 適用范圍廣。但由于 外插的應(yīng)力有一定誤差 , 因此采用彈塑性本構(gòu)模型時(shí) , 可能

2、會導(dǎo)致某些點(diǎn)的高斯點(diǎn)應(yīng)力 位于屈服面以外 , 當(dāng)大面積的高斯點(diǎn)上的應(yīng)力超出屈服面之后 , 應(yīng)力轉(zhuǎn)移要通過大量的 迭代才能完成 , 而且有可能出現(xiàn)解不收斂的情況。在僅考慮自重情況下只能考慮受泊松 比的影響帶來的側(cè)壓力系數(shù)效應(yīng) , 因此平衡后的效果不一定很理想 , 但無疑其適用性很 強(qiáng)。(2 *initial conditions,type=stress,geostatic該方法需給出不同材料區(qū)域的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的自重應(yīng)力及其相應(yīng)坐標(biāo)。所采用的 幾何模型一般較規(guī)則 , 表面大致水平 , 地應(yīng)力平衡的好壞一般只受巖體密度的影響 , 無論 采用彈性或彈塑性本構(gòu)模型都能很好的達(dá)到平衡 , 可以不必局限于

3、僅受泊松比的影響 , 能夠通過考慮水平兩個(gè)方向的側(cè)壓力系數(shù)值來施加初始應(yīng)力場。 計(jì)算速度快 , 收斂性好。 缺點(diǎn)就是不能夠很好平衡具有起伏表面的幾何模型 , 需知道平整后模型的上覆巖體自 重。(3 *initial conditions,type=stress,geostatic,user該方法采用用戶子程序 SIGINI 來定義初始應(yīng)力場 , 可以定義其為應(yīng)力分量為坐標(biāo)、 單元號、 積分點(diǎn)號等變量的函數(shù) , 要達(dá)到精確平衡需已知具體邊界條件 , 在實(shí)際中應(yīng)用較 少。第二部分 地應(yīng)力平衡方法實(shí)例詳解地應(yīng)力平衡是巖土工程數(shù)值模擬分析的重要的內(nèi)容,為了讓師弟師妹們快點(diǎn)上手, 我利用第一種方法做一個(gè)

4、較簡單的模型,希望對大家有用。 一、 模型描述: 3/2080m kg = 7101=E35. 0= 二、地應(yīng)力平衡過程1. 啟動 ABAQUS, 單擊 Create Model Datebase2.創(chuàng)建部件(Part 在 Part 模塊,單擊創(chuàng)建部件按鈕,彈 出如右圖的對話框,按圖輸入部件名:Part-soil ; 采用二維模型選擇 2D Planar; Type 選擇可變型(Deformable ; 基本特征選擇殼體(Shell ;Approximate size輸入 70,這個(gè)數(shù)值 的大小,應(yīng)根據(jù)模型的最大尺寸來確 定:稍大于最大尺寸的 2倍。比如本 模型最大尺寸是 30那么我輸入了 7

5、0, 但也不是絕對, 你當(dāng)然也可以輸入 65, 或 75等等。最后單擊 Continue, 繼續(xù)下一步。 按照模型尺寸 (如圖 , 建立模型部件, 雙擊鼠標(biāo)中鍵,完成部件的建立。60kpa20 3. 建立材料屬性(P roperty在 Module 中切換到 P roperty模塊,單擊 ,輸入材料名稱(name : Material-soil, 單擊 Density, 在彈出對話框中輸入:密度 2080;然后單擊Mechaniacal Elasticity Elastic, 在彈出的對話框輸入圖,單擊 OK 完成材料的 定義。 單擊按鈕 ,輸入名字:S ection-soil,選擇 Soil

6、d , Homogeneous,單擊 Continue , OK, 完成截面的創(chuàng)立。 單擊按鈕 ,選取部件(單擊或框選,選擇后成粉紅色,表示選中,單擊 Done 或單擊鼠標(biāo)中鍵來確定。在彈出的對話框中選中 Section-Soil ,單擊 OK. 4. 裝配部件(Assembly 在 Module 選擇 Assembly 模塊 , 單擊 ,彈出對話框,采用默認(rèn)值,單擊 OK.注意:1. 本模型只有一個(gè)部件所以自動選中,如有多個(gè)可按 Shift 鍵全選中; 2.Instance Type 本例都無所謂,只有一個(gè)部件,但是如有多個(gè)部件,我比 較喜歡選擇 Independent, 因?yàn)樵谶@種情況下,

7、所有的部件會出現(xiàn)在一個(gè)窗口, 劃分網(wǎng)格更方便,并且直觀的看到不同部件連接處網(wǎng)格劃分的是否協(xié)調(diào)。 5. 創(chuàng)建分析步(Step 在 Module 選擇 Step 模塊 , 單擊 , 彈出下面的對話框, 創(chuàng)建分析步 Step-1,選擇 Geostatic, 單擊 Continue ,在分析步編輯框 Basic 中選擇 On(如果會發(fā)生大變 形的情況下要選擇 On ,其他默認(rèn),單擊 OK 6. 施加荷載和定義邊界條件(Load 在 Module 選擇 Load 模塊,單擊 定義邊界條件,需要對模型的左、右、下 底面定義邊界條件,分別命名 BC-1、 BC-2 、 BC-3,選擇初始步(Initial

8、,Displacement/Rotation, 單擊 Continue ,選擇左、右、下底面邊界, 單擊 Done ,分別選擇 U1、 U1、 U2(U1是水平方向, U2是豎直方向 ,單擊 OK 完 成邊界條件的定義。 單擊 定義重力荷載, Name:Load-grv, 選擇 Step-1, Mechanical , Gravity , 單擊 Continue 。單擊 Edit Region ,選擇整個(gè)模型,在 Component 2中輸入 -9.8(重 力加速度,單擊 OK 7. 劃分網(wǎng)格(Mesh (劃分網(wǎng)格是一門藝術(shù),本例只是簡單的劃分在 Module 選擇 Mesh 模塊,單擊設(shè)定網(wǎng)

9、格的種子,將全局種子大小設(shè)為 1,其余默認(rèn),單擊 OK. 單擊 ,采用默認(rèn),單擊 OK 。 單擊 , Family 選擇 Plane Strain,其余采用默認(rèn),單擊OK 單擊 ,單擊 Yes, 完成網(wǎng)格的劃分,如下圖: 8. 在命令行中輸入 mdb.modelsModel.setValues(noPartsInputFile=ON,按回車鍵 9. 在 job 模塊中創(chuàng)建名為 Job-NoInitialCondition 的分析步,提交分析。 應(yīng)力圖 水平位移圖10. 將分析得到的應(yīng)力場保存為一個(gè)文本文件。具體做法 :打開分析得到的 ODB 文件, 選擇菜單 Report Field Outp

10、ut,在下圖所示的對話框中,選中積分點(diǎn)上的各個(gè)應(yīng) 力分量(對于二維問題,應(yīng)力分量 S11、 S22、 S33和 S12;對于三維問題,還應(yīng)選 中 S13和 S23。 圖表 1輸入常變量 S11、 S22、 S33和 S12單擊此對話框中的 Setup 標(biāo)簽頁,在 Name 文本框中輸入要保存的文件名 b.inp ,取 消對 Append to file 的選擇 (即創(chuàng)建一個(gè)新文件 ,在 Write 后面只選中 Field Output (如下圖所示。圖表 2設(shè)置輸出場變量注意,此處輸出的是當(dāng)前增量步結(jié)束時(shí)的應(yīng)力結(jié)果,因此上述對話框頂部的 Step 必須是 Geostatic 分析步, Fram

11、e 必須是 1。 如果 Frame 是 0, 會看到輸出的應(yīng)力都是 0。 11. 按照 ABAQUS 所要求的初始應(yīng)力場文件格式,修改上述文件 b.inp 中的內(nèi)容。具體 方法為:用 Excel 打開上述文件 b.inp ,在”文本文件導(dǎo)入向?qū)А钡牟襟E 1中選擇“分 隔符號”,在步驟 2中選擇“ Tab ”鍵和“空格”鍵,這樣 b.inp 中的各列數(shù)據(jù)就成 為 Excel 表格中的各個(gè)列。刪除表格中開始幾行的模型信息,再刪除積分點(diǎn)編號所在的第 2列數(shù)據(jù)(都為 數(shù)字 1,只保留單元編號和各個(gè)應(yīng)力分量列,并將各個(gè)應(yīng)力分量的科學(xué)計(jì)數(shù)法格 式改為顯示小數(shù)點(diǎn)后 5位數(shù)字。修改前和修改后的數(shù)據(jù)如下: 圖表

12、 3修改前 圖表 4 修改后 下面將上述數(shù)據(jù)輸出為以逗號分隔的文本文件 b.csv , 具體的方法是:在 Excel 中單擊菜單“文件”“另存為”,將文件類型設(shè)置為“ CSV (逗號分隔”,對于出 現(xiàn)的提示信息,單擊“是”,即可。 12. 為模型中定義初始應(yīng)力場。 在 ABAQUS/CAE中無法直接定義初始應(yīng)力, 只能手工添加 關(guān)鍵詞,具體方法為:將原來的 CAE 模型另存為 a.cae ,選擇菜單 Model Edit keywords,在 *STEP語 句之前添加以下語句: *initial conditions,type=stress,input=b.dat 圖表 5 修改前 圖表 6 修改之后13. 在 job 功能模塊中將分析作業(yè)名 Job-WithInitialCondition , 重新提交分析。 注意, 初始應(yīng)力場文件 b.csv 應(yīng)該和 INP 文件 Job-WithInitialCondition.inp 位于同一個(gè) 路徑下,否則將會出現(xiàn)下列錯誤信息:The following file(s could not be located :b.csv(無法找到文件 b.csv14. 查看地應(yīng)力平衡的結(jié)果。 打開 Job-WithInitialCondition.odb 初始狀態(tài)下 （0 時(shí)刻） ， 模型就具有了一個(gè)