在土木工程问题中，abaqus如何平衡初始地应力-博天堂登陆

在土木工程问题中，如何平衡初始地应力？

在模拟基坑开挖、隧道开挖、铁路设计中的工后沉降、桩土复合地基、挡土墙等土木工程问题中，都需要平衡初始地应力。定义初始地应力时需要满足下面两个条件。1)平衡条件：由应力场形成的等效节点载荷要和外载荷相平衡，如果平衡条件得不到满足将不能得到一个位移为0的初始状态，此时所对应的应力场也不再是所施加的初始应力场。2)屈服条件：若通过直接定义高斯点上的应力状态的方式施加初始应力场，常常会出现某些高斯点的应力位于屈服面之外的情况。超出屈服面的应力虽然会在以后的计算步中通过应力转移调整过来，但这毕竟是不合理的。当大面积的高斯点上的应力超出屈服面之后应力转移要通过大量的迭代才能完成，而且有可能出现解不收敛的情况。

 

基于以上两个条件，平衡初始地应力的一种常用方法是：首先将重力载荷施加于土体并施加符合工程实际情况的边界条件，计算得到在重力载荷下的应力场，再将得到的应力场定义为初始应力场，和重力载荷一起施加于原始有限元模型，就可以得到既满足平衡条件又不违背屈服准则的初始应力场，可以保证各节点的初始位移近似为c。

 

实例

随书光盘中提供了一个使用上述方法进行地应力平衡的实例，各个文件保存在路径geostatic下，其建模步骤简介如下：

1）在abaqus/cae中建立完整的模型(文件名为noinitialcondition.cae)，定义部件、截面属性、装配件、网格、边界条件等。单元类型使用默认的线性减缩积分单元(例如cax4r、c3d8r)，它只有一个积分点，在后面输出应力结果时比较简便。

注意，如果涉及接触问题，先不要在模型中定义接触，而应该先用临时的边界条件把各个部件实体的所有自由度都固定住，否则可能出现不收敛的问题。建模的一个重要原则是不要让 abaqus在一个分析步中同时解决多种复杂问题，而应该把它们分散在多个分析步中，以减小收敛的难度。

2）在step功能模块中创建分析步，将类型设为geostatic。

3）在oad 功能模块中，为整个土体定义重力载荷(类型为gravity)。如果重力的方向和坐标轴的正向是相反的，则应输入负值。

 

注意，如果模型的长度单位是m，则重力载荷的大小是9.8(单位为m/s)，密度的单位是 kg/m’;如果长度单位是.mm，则重力载荷的大小是9800(单位为mm/s)，密度的单位必须使用t/mm’(例如1.15e-9t/mm)，详见本书第1.1.2节“选取各个量的单位”。另外，除了重力载荷之外，在geostatic.分析步中不要施加其他载荷。

 

4）在job功能模块中创建名为job-noinitialcondition的分析作业，提交分析。

5）将分析得到的应力场保存为一个文本文件。具体方法为：打开分析得到的0db文件 job-noinitialcondition.odb，选择菜单 report-field 0utput，在如图8-15 所示的对话框中选中积分点上的各个应力分量(对于二维问题，应力分量为s11、s22、s33和s12;对于三维问题，还应选中s13和s23)。

 

 

图8-15 输出场变量s11、s22、s33和s12

 

单击此对话框中的setup标签页，在name文本框中输入要保存的文件名bb.inp，取消对appendtofile的选择(即创建一个新的文件)，在write后面只选中fieldoutput(如图 8-16所示)。

 

 

图8-16设置输出场变量

 

注意，此处输出的是当前增量步结束时的应力结果，因此上述对话框顶部的step必须是geostatic分析步，frame必须是1。如果frame是0，会看到输出的应力都是0。6)按照abaous所要求的初始应力场文件格式，修改上述文本文件bb.inp中的内容。具体方法为：

用excel 打开上述文本文件bb.inp，在“文本文件导人向导”的步骤1中选择“分隔符号”，在步骤2中选择“tab”键和“空格”键，这样bb.inp中的各列数据就成为excel表格中的各个列。

 

删除表格中开始几行的模型信息，再删除积分点编号所在的第3列数据(都为数字1)只保留单元编号列和各个应力分量列，并各个应力分量的科学计数法格式改为显示小数点后5位数字。例如下面是excel表格的前3行数据：

 

 

 

提示：exce!中默认的科学计数法格式是只显示小数点后的2位数字，这样在后面的文转换中会丢失数值精度，影响初始地应力平衡的效果。

 

接下来需要在单元编号前面的列中，写人各个单元所在的部件实体(partinstance)的名称和一个小数点符号，这样做的原因详见【常见问题5-3】。本实例的模型中只包含一个部件实体，其名称为soil-1，则excel数据变为下面的形式(以前3行为例)：

 

 

 

提示：此处需要添加的是部件实体(panistance)名称，而不是部件(pan)名称。

提示：如果模型中包含多个部件实体，则在b，inp中会看到这些部件实体各自有，套从1开始的单元编号。在进行上面的操作时，应该为每个单元编号加上它所对应的部件实体名称。

 

下面将上述数据输出为以逗号分割的文本文件bb.csv，具体方法是：在excel中单击菜单“文件”→“另存为”，将文件类型设置为“csv(逗号分隔)”，对于出现的提示信息单击“是”即可。

用文字编辑软件(例如editplus、ultraedit或 windows记事本)打开 bb.csv，可以看到以下数据(以前3行为例)：

soil-1.,1,-9.39167e-05,-2.81750e-04，-9.39167e-05,5.60533e-18

soil-1.,2,-9.39167e-05，-2.81750e-04，-9.39167e-05，4.20399e-18

soil-1.,3,-9.39167e-05,-2.81750e-04，-9.39167e-05，-1.40133e-18

 

第一列中，部件实体名称soil-1和单元编号之间的逗号应该去掉，只保留二者之间的小数点符号。用文字编辑软件的替换功能可以完成这一操作，最终得到的文件内容如下所示(以前3行为例)：

soil-1.1,-9.39167e-05，-2.81750e-04，-9.39167e-05,5.60533e-18

soil-1.2，-9.39167e-05，-2.81750e-04，-9.39167e-05，4.20399e-18

soil-1.3，-9.39167e-05,-2.81750e-04，-9.39167e-c5，-1.40133e-18

为方便读者查看，将这个完成后的初始应力场文件另存为文件bb.dal，保存在随书光盘的geostatic路径下。

 

7）为模型中定义初始应力场。在abaqus/cae中无法直接定义初始应力，只能手工添加关键词，具体方法为：

将原来的 cae模型另存为 withinitialcondition.cae，选择菜单model→edit keywords，在*step 语句之前添加以下语句：

*initial corditions, lype = stress, input = bb. dat

 

8）在job功能模块中将分析作业名称改为job-withiniialgondition，重新提交分析。注意，初始应力场文件bb.dat应该和inp文件 job-withinitialcordition.inp 位于同一个路径下否则将会出现下列错误信息：

 

the following file(s)could not be located: bb. dat(无法找到文件 bb. dat)

 

9）查看地应力平衡的结果。打开分析结果文件job-withinitialcondition.odb，可以看到在初始状态下(0时刻)，模型就具有了一个初始应力场，这个应力场与上一个结果文件job-noinitialcondition.odb中分析步结束时刻的应力场完全相同。

 

在 job-withinitialcondition.odb的分析步结束时刻，各个节点的应力与初始状态相同位移的数量级为e-18(相当于0)。这样就实现了初始地应力平衡的目的:在geostatic分析

步的结束时刻，土体具备了重力载荷作用下的应力场，而节点位移为0。从这个简单的例子中可以看到初始地应力平衡的重要性，如果没有使用*initiatconditions进行地应力平衡，只是施加重力，那就是job-noinitialcondition.odb中的结-土体同样具备了重力载荷作用下的应力场，但节点位移远远大于0(数量级为e-3)。

 

10）上面已经完成了初始地应力平衡，接下来可以在withinitialcondition.cae 的geostatic 分析步后面添加其他分析步(例如普通的静力分析步staic，general)，定义接触和实际的载荷，并去掉前面第1步中的临时边界条件。

 

注意，应该先只施加很小的载荷，使接触关系平稳地建立起来，再在下一个分析步中施

加实际的载荷。如果为土体定义了塑性参数(例如druckerprager材料准则)，而分析不收敛，应先去掉塑性参数，看模型是否能够收敛，以便确定是塑性参数的问题还是接触等其他方面的问题。

 

（内容、图片来源：《abaqus有限元分析常见问题解答》，侵删）

 

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