搜索ABAQUS与岩土工程（一）——地应力平衡（初级）【转载】
2016-11-14 by:CAE仿真在线 来源:互联网
转自:算盘坊小胖微信号
地应力是个很神奇的话题。很多宝宝对这个概念不是很明了——谁没有个年轻的时候呢?对吧。首先我们来回顾一下啥叫地应力。小胖不确定这种有点理论性的东西能不能讲得准确。如果您认为我讲得不对,请及时沟通。在确认的情况下,我会及时更正,以免误人子弟。
(一)地应力的含义
以前混论坛的时候,经常会有非岩土地质背景的宝宝问:“岩土真事逼,从来没听说过什么应力平衡啥的。”有的初级岩土宝宝也会有疑问啊,问“啥叫地应力平衡啊?我直接加个重力在模型上不就好了吗?地应力平衡是不是只有考虑塑性的时候才需要呀?ABAQUS真装B啊,FLAC就没这回事啊?”Blah Blah......对这些人(当然包括年轻时的小胖),小胖想说:你辣么NB,你咋不上天呢?
我们先来看看ABAQUS它们家怎么说的
基本意思人家在自己的帮助文件里也交代清楚了,算是仁至义尽了。咋说的呢?就是宝宝们在算岩土问题的时候呀,如果直接加上重力等外力,模型的位移会过大,因此需要先赋予模型一个初始的应力同时保证变形不过大。
明白了么?
其实小胖年轻时也一直不是很明白,总觉得有那么一层窗户纸没通透,心里不够亮堂。现在我大体能想明白了。各位宝宝可以想象一下三轴试验。理想状态下试件不受重力,那么初始状态自然不必定义初始应力,也就是内力,也就不需要所谓的地应力平衡。如果考虑重力,那么重力带来的影响远远小于后期加载对试样的影响,因此也可以忽略不计。
但,全尺度的岩土问题就是另一回事了。
在地球母亲的吸引力下,岩土介质的内力是很大的,尤其是埋深较深的时候。这时候如果有卸载,自然会影响到整体的变形和位移,这部分因素是需要考虑的。同时,岩土介质又是一种应力路径相关的材料,不同的应力路径会造成材料不同的力学性质,因此初始的地应力也是需要考虑的。那么年轻时的小胖就问了:直接加个重力不就完了吗?
两码事。
当前的岩土介质中的应力,是在长期重力作用下逐渐固结沉降后形成的。其初始的变形状态并不是你现在所建模型的状态。因此,地应力平衡的真正目的,只是为了塑造一个基本符合事实的状态。你平时脚底下踩的土,就是你现在模拟的初始态,而并不是你虚拟的那个零变形零应力的土体。
话有点绕口,但基本就是这样子。
现在可以回答有些宝宝的问题了:为啥只有ABAQUS有地应力平衡?
小胖的回答是
(二)地应力平衡方法论——最基本方法(geostress1-m1.cae)
现在开始学习ABAQUS的小盆友,乃们其实应该很有幸福感了。用过6.5/6.6的老宝贝儿应该都能明白当年的苦。现在ABAQUS中的主流方法应该是用Geostatic分析步了。Geostatic分析步有两个选择,有些同学傻傻分不清楚。
看到没,一个是“Fixed”,一个是“Automatic” 。我们还是来看看达索他们家是怎么说的:
各位宝宝看到了?达索他们自己说,这个automatic啊,可以根据你定义的一个最大位移来进行地应力平衡。最大位移的定义,inp文件里就是加个“utol=displacement tolerance”。在CAE里,就是在上边那个图的“Max.displacements changes”里面进行设置。
那问题来了:这个fixed是啥意思呢?
那我们做个例子吧。
小胖简单做了个实例,放在网盘里了,大家可以按照文章开头的方法获取。
一个边长10m的立方体,前后左右施加位移边界,底部施加竖向位移边界,模型顶部自由。暂时先不考虑水,因此选用C3D8R单元。材料选用线弹性加Mohr-Coulomb塑性准则。c=10kPa, phi=10°,E=10MPa,泊松比0.35,密度1.8。
我们采用CAE内部已有的预置地应力的方法,在Load-Predefined field-Mechanical-Geostatic stress,如下图
各行的含义aba宝宝们应该了然于胸了吧。注意你的地应力方向的正负就好了:本模型中和Z正向相反,因此第二点地应力为负。静止侧压力系数按照v/(1-v)进行计算。注意,软件只是按照你给定的侧压力系数计算初始地应力,一旦计算开始后,这个参数也就没用了,竖向和横向的应力关系靠泊松比来控制。
然后!
我们选择了这种初始地应力赋值模式,那么就相当于默认地应力是加在Z方向的,所以需要在assembly里旋转一下模型!不信的宝宝可以看下不旋转所赋的地应力和平衡效果:
从初始地应力S33的分布可以看出,软件是默认Z方向为地应力方向的,再看下平衡后的位移,虽然量值都很小,但分布规律很感人啊。这个错误的文件我命名为geostress1-error放在网盘里。
正确的姿势应该是在assembly-instance-rotate里面对模型进行旋转,以使重力方向沿Z轴方向 (当然,宝宝们在part里建模时也可以直接考虑Z轴的重力方向)。我们来看下正确姿势下的平衡效果
我们再来看下Fixed选项下的平衡效果
总觉得怪怪的有没有。我们看下如果不用Geostatic而用Static, General,计算结果如何
结论是:一样滴。因此,尽管我们现在看起来平衡效果也还不错,但这只是因为我们的模型是最简单的一种。稍微复杂一点的话,Gestatic(Fixed)也不会得到好的效果,和Static, General其实是一回事。
宝宝们可以自己试一下。
(三)地应力平衡方法论——基本方法(geostress1-m2.cae)
Geostatic方法经常搞不定稍微复杂些的模型。此时,宝宝们可以选择另一种更普适的方法——不预设地应力,直接加重力先获取一个应力,再重建一个模型导入该应力作为初始地应力进行计算。
首先计算无初始地应力的情况下的模型,采用Static,General(Geostatic也是可以的)分析步,我们看计算完成的位移云图
可以看出位移比较大。如果按照某些宝宝的意见不进行平衡,那么后期的开挖等施工就直接在这个有如此明显的初始位移的模型上进行,那和我们实际要求的就不是一回事了。
然后我们继续进行平衡,以这个odb文件应力为初始应力,我们在cae里新建一个job,同时在predefined field-stress中设置初始地应力(小胖现在已经基本不使用手动导出地应力csv文件再导入了,太麻烦了),见下图
Continue后,选取整个模型,见下图
Specification里我们选择from output database file,也就是刚才的odb文件
刚才的Job-1我们只进行了一个增量步的计算,因此step选1(一般都是选择1),increment选1。然后OK。
然后新建一个job进行计算。我们看下计算结果:
最大位移只有1.3e-5 m,还算不错。小胖一般平衡到0.5 mm以下就满足了,因为这个精度在实际工程监测时都不见得能达到。
注意这种平衡方法并不适合多孔介质弾性模型(因此也就不适合临界状态塑性,因为这两者是绑定的),后续我还会继续介绍多孔介质弾性模型下的地应力平衡,地表不平整情况下的平衡以及有建构筑物时的地应力平衡,敬请期待。
镇楼啦啦啦
(Johnson, J. B., et al. (2015). "Discrete element method simulations of Mars Exploration Rover wheel performance." Journal of Terramechanics 62: 31-40.)
————谁说岩土是夕阳产业呢?
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