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Abaqus在地下及橋梁工程中的應用

有限元: 2020-05-07 10:02:00 閱讀數: 418 分享到:

Abaqus是一款專門從事非線性有限元力學分析的軟件,具有如下特點:

  1. 流行的CAD軟件建模方式,通過布爾運算、拖拉、旋轉、拷貝、鏡像、倒角等多種手段,建立真實反映工程結構的復雜幾何模型
  2. 提供與多種CAD數據相整合的專用數據接口,實現無縫的幾何模型傳遞。包括:CATIA、UG、Pro/E、IDEAS、Solidworks、Solidedge、Inventor、MDT等。此外還可讀取SAT、STEP、ParaSolid、IGES、DXF等格式的圖形標準文件
  3. 采用參數化建模方法,為實際工程結構的參數設計與優化、結構修改提供有力工具
  4. 強大的模型管理和載荷管理手段,為多任務、多工況實際工程問題的建模和仿真提供方便
  5. 鑒于接觸問題在實際工程中的普遍性,單獨設置Interaction模塊,精確模擬工程中的多種接觸和連接問題,并進行從零件級到系統級的分析
  6. 具有很強的開放性,可結合Python語言定制用戶化界面,方便用戶操作


求解器性能

Abaqus在求解非線性問題時具有明顯優勢,其非線性涵蓋材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等多個方面。在解決不同問題可分為2種求解器。


1 Abaqus/Standard(隱式求解器)

Abaqus/Standard是一個通用分析模塊,可求解廣泛的線性和非線性問題,包括結構的靜態、動態、熱和電響應等。對于通常同時發生作用的幾何、材料和接觸非線性采用自動控制技術處理。得益于Abaqus擁有的CAE工業領域最廣泛的材料模型,可模擬絕大部分工程材料的線性和非線性行為,且任一種材料均可和任一種單元或復合材料層一起用于任何合適的分析類型。


2 Abaqus/Explicit(顯示求解器)

Abaqus/Explicit是利用對事件變化的顯示積分求解動態有限元方程。該模塊適合于分析如沖擊和爆炸這樣短暫、瞬時的動態事件,對高度非線性問題也非常有效,包括模擬加工成形過程中改變接觸條件的問題。



Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit間的數據傳遞非常方便,可以很容易地考慮靜力和動力相結合的分析計算情況。Abaqus軟件的求解器是智能化的求解器,可解決其他軟件不收斂的非線性問題。而其他軟件也收斂的非線性問題,Abaqus 軟件的計算收斂速度較快,并更加容易操作和使用。


典型應用

  • 靜態應力/位移分析:速率相關或速率無關響應,屈曲分析等


車防護罩墊圈密封性分析


線性動力學:頻率提取、模態疊加、諧波激勵、譜響應分析、隨機載荷等。(非線性動力學用顯示積分方法)


輪胎的諧波激勵


多物理場(耦合場):熱力學分析、結構聲學分析、線性電勢分析、熱電分析、熱電結構分析、細孔流動變形分析、流體結構耦合、通過Co-Simulation Engine(CSE耦合第三方求解器等


排氣管的熱應力分析

模擬高速動力學問題,如跌落、汽車碰撞、導彈沖擊等。也能有效地解決準靜態問題,如金屬成型仿真,用多分析步來模擬成型的退火過程等


蜂窩鋁的撞擊模擬


多物理場分析:熱力學分析、完全耦合(熱響應和力學響應都用顯示算法)、可包含隔熱傳遞影響、結構聲學分析、流固耦合、通過Co-SimulationEngine (CSE)耦合第三方求解器等


兩種狀態分析(溫度云圖)


其他類型分析:熱傳導、聲學、質量擴散、穩態傳輸、電勢分析、靜磁分析等

輪胎的穩態滾動


今天主要介紹Abaqus在地下工程和橋梁工程中的應用


地下工程


地下工程及深基礎工程的建設安全與質量、施工環境保護,是建設者應優先考慮的問題。巖土介質本身非常復雜,如巖土的結構、孔隙、密度、荷載特征、孔隙水及時間效應等。


Abaqus可很好地模擬巖土的力學性能及對巖土工程的各個方面進行模擬,包括非線性應力-應變關系、瞬態固結、穩態流變、井點降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應力-變形與穩定性、邊坡應力及穩定性、邊坡和硐室錨固效應分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、 預應力鋼筋、鋼支撐、隧道加強筋等鋼結構與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴展過程模擬。


隧道開挖問題

工程結構總是按照一定的操作順序施工的,控制條件不一定是施工結束時,而往往在施工過程中。巖土工程分析要動態地模擬施工過程中結構形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性,只能用計算過程的模擬才能體現出來,也就是說巖土工程分析應當是一種動態的過程分析,只有進行過程分析,其結果才是合理的。




非飽和膨脹土的開挖問題


巖土工程分析往往涉及到固體介質和流體的相互作用,所以要引入有效應力來更明確地描述固體骨架的受力狀態。由于將固體骨架與孔隙流體的滲透同步考慮,不僅需滿足平衡方程,物理方程和幾何方程,還需考慮有效應力原理和連續方程,必要時進行考慮滲流場、應力場、溫度場、化學場等多場耦合的分析。


地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶,因此,工程中遇到的土大多數處于非飽和狀態,濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。非飽和土是固-液-汽三相復合介質,其工程性質十分復雜,是20世紀90年代以來國際學術界關注的熱點之一。在一系列的工程問題中,涉及有效應力、變形、水運動、堤壩滲流變形、油氣開采、煤層內瓦斯滲流、地基的蒸發固結和降雨入滲的滑坡等問題,這些問題一般都必須考慮水、氣兩相流體流動和固相變形之間的相互作用。因而,研究非飽和土的流-固耦合問題具有重大理論和實際意義。





施工過程對環境的影響


一般地鐵車站工程具有開挖跨度大、臨時支護和工法轉換頻繁、時空效應顯著、地質條件復雜、邊界環境條件限制嚴格、施工難度和風險極大等特點。地鐵車站建設中的工程問題具有材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時空效應等特點。


以地鐵車站作為工程背景,研究地鐵車站施工過程中支護結構、圍巖和近鄰重要環境對象(橋基、管線、建筑物等)的力學響應和安全控制,為地鐵車站的動態設計和動態施工管理提供理論依據和指導,為施工安全提供技術保障和科學決策。




邊坡穩定的剪切帶計算

應變局部化現象在巖土工程中大量存在,最為典型的就是土體失穩時形成的剪切帶。


剪切帶形成的研究對于評價土工結構物的安全性和穩定性等問題具有重 要意義。剪切帶現象的本質是材料的不穩定性,材料不穩定研究中的一個十分重要的問題是多尺度和標度律的問題。在材料發生不穩定性時,不同的物理過程,不同的微-細觀結構,在某個時間尺度內,將以其特有的動力學行為,在某個特征尺度上表現自己,它對計算力學構成了嚴重的挑戰。




降雨入滲條件下非飽和土邊坡分析

地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶。因此,工程中遇到的土大多數都處于非飽和狀態,濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。


非飽和土是固-液-氣三相復合介質,其物理性質較復雜。降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現象,需要研究雨水入滲的瞬態滲流場、土坡變形以及各種邊界條件的影響。分析非飽和流固耦合過程要考慮多因素控制方程,并求出各種邊值問題的解。探討滲流-變形耦合場來研究降雨入滲滑坡,是目前環境地質災害和巖土工程需要展開的工作。





節理材料的邊坡穩定性分析

巖石是一種非常復雜的材料。其材料屬性不光表現高度非線性,而且由于節理的存在表現各向異性。Abaqus在巖石方法不光提供了巖石的塑性屬性,而且提供了其節理屬性。


節理材料的邊坡穩定性分析


橋梁工程

橋梁結構涉及幾何非線性問題,這種非線性是由于大位移、彎矩和軸力之間的相互作用而產生的,任何一個實際的工程問題都希望能根據設計方案,從理論上、計算上以及試驗上對其進行校核,將方案做得更經濟實用,風險降到更低。


而對于設計之后的分析,用于設計的近似方法已經不能提供足夠的精確度,我們必須建立準確的模型,借助計算機精確地分析結構。Abaqus在橋梁施工,橋梁動/靜力計算上具有獨特的優勢,如橋梁的應力分布、變形情況、自振頻率、振形、地震響應特征、失穩特征等。


橋梁施工過程模擬

在橋梁施工方面Abaqus提供了單元生死(Model Change)、鋼筋混凝土材料屬性以及鋼筋預緊力等分析模擬功能。下圖是某大橋施工過程的結構受力分析。




橋梁模態分析

Abaqus提供了Lanczos 和Subspace 2種求解振型的方法,它們各有優缺點,分別實用于規模較大,頻率提取多的結構和規模小,頻率提取少的結構。某橋梁長140m,高80m,其一階(左)和四階(右)振型如下所示。




美國金門大橋地震響應分析

峙于美國加利福尼亞州舊金山金門海峽之上,是世界著名的橋梁之一,橋身全長超過1900m,利用10萬多噸鋼材建成。Abaqus有功能強大的顯式求解器,利用Abaqus顯式求解器對美國金門大橋做的地震響應分析。




斜拉橋結構仿真分析

下圖斜拉橋主跨布置160+300+97m,橋梁全長 557m,利用Abaqus對該橋做的施工過程模擬、結構動力響應及地震響應分析結果。

結構動力響應分析

地震響應時程仿真和分析



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