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建筑土木

概述

Abaqus土木行业功能简介

土木工程是有限元分析应用的一个重要领域。土木工程设备的强度、寿命和可靠性分析以及钻探、挖掘、采矿,施工等过程的力学仿真是结构工程领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题,需要多门学科的理论和方法的综合应用。

针对土木领域关注的各种线性非线性力学问题Abaqus有针对性的提供了相应的有限元分析解决方案。Abaqus的有限元分析能力已经被全球各大建筑设计单位所检验并得到了广泛的认可。Abaqus软件对于土木问题具有强大的功能,一下列举了一些土木方针分析中常用的功能。

1)岩土材料本构模型

本构模型是保证分析结果正确性的关键因素,Abaqus提供了众多的岩土材料本构模型,弹性方面有各向同性线性弹性、各向同性孔隙介质弹性(非线性弹性),各向异性损伤弹性(非线性弹性,主要用于混凝土或节理材料);塑性方面有压应力无关的开口屈服面准则(Mises准则),压应力相关的开口屈服面准则(Drucker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型),闭口屈服面准则(剑桥模型、帽盖Drucker-Prager模型),多屈服面准则(用于节理材料)。可以适用于从黏土、沙土到岩石的各种岩土材料。

2)混凝土本构模型

Abaqus提供了4种混凝土本构模型:弥散裂纹混凝土本构模型(Smeared cracking model)、脆性断裂混凝土本构模型(Brittle cracking model)、混凝土损伤塑性模型(Concrete Damaged Plasticity model)以及帽盖D-P模型(Cap Drucker-Prager model),分别适用于普通静力分析、瞬态动力分析、循环往复荷载分析(如抗震分析)、高压混凝土结构分析(如高围压隧道、核废料掩埋隧道等受高压混凝土结构)。

3)单元库

共有562种单元,除通用有限元软件里的连续体、梁、板、壳单元外,Abaqus还包括土木中应用的特殊的单元,如实体壳(Continuum Shell)、土壤/管柱连接单元(Pipe-Soil)、加强筋单元(Rebar)、锚链单元(Drag Chain)等等;可以满足土木领域的各种需求。

4)初始地应力平衡

地下工程的塌方、岩爆、坑道变形和支护结构破坏以及地面工程的岩基失稳和边坡破坏等的发生,都是由地应力而引起的。因此弄清楚土(岩)体的初始地应力场分布就有着非常重要的意义。Abaqus提供了Geostatic分析步,可以方便建立湿土(考虑静水压力的影响)和干土(不考虑静水压力的影响)初始地应力,而且Abaqus可以直接给定侧压力系数的方法给定土体或岩石的初始侧压力,所以甚至能够建立侧压力系数大于1的高围压岩石的地应力平衡。

5)土体的固结和渗流分析

Abaqus的Soil分析步的分析功能不光提供了流固耦合的稳态渗流的功能、瞬态固结的功能、而且提供了非饱和土的分析功能,可以分析大坝的渗流以及土体在荷载作用下的固结问题等等。

6)单元生死功能

建筑结构的施工过程存在材料的去除和重新生成,Abaqus提供了方便的单元生死功能,用于模拟建筑结构的施工过程。

7)强大的分析功能

包括土木行业需要的静力分析(包括土体的渗流、固结分析等等)、隐式、显式动力分析、模态分析、复模态分析、线性屈曲分析、非线性屈曲分析、后屈曲分析、随机响应分析、响应谱分析,稳态响应分析、质量扩散分析、热传导分析,热力耦合分析、水下冲击分析等等,能解决土木工程中的绝大部分静、动力问题。

8)非线性分析

Abaqus可以分析三种类型的非线形问题:材料非线形、几何非线性和边界非线性。

a)材料非线性:

这种非线性可能是人们最熟悉的,除前面叙述的具有多种岩土非线性本构模型外还有多种其它材料本构模型,更重要的是Abaqus有多种分析方法,对于不同的问题可以采用不同的方法,如普通材料可以采用General Static方法;材料刚度软化可以采用Riks方法;而对于塑性变形非常大的静力问题可以采用显式算法(Explicit)做拟静力分析。

b)边界非线性

如果边界条件在分析过程中发生变化,就会产生非线性问题,也就是我们通常所说的接触问题。这类非线性问题通常在瞬时发生很大的变化,所以是最复杂的非线性问题,Abaqus在处理这类问题有其独特功能,能最大程度保证问题的收敛。

接触是一个普遍现象,Abaqus提供多种接触类型模拟各种接触问题。包括点-点、点-面、面-面、刚-柔、柔-柔等接触类型,其中可包含摩擦、摩擦生热、接触传热及接触绑定等特性,还包括小滑动和有限滑动接触。可以利用Interaction这个模块方便的建立接触对。

c)几何非线性

几何非线性发生在位移的大小影响到结构响应的情况,这可能是由于:

(1)大饶度或大转动

(2)突然翻转

(3)初应力或载荷刚性化

Abaqus对于几何非线性除了可以改变单元扭曲度外还可以利用网格自适应功能来增加其收敛性。

9)热及热固耦合分析

Abaqus的热分析能力也很强大,可以分析传导、辐射和对流等热交换方式热量在介质内部和介质之间的传播。在此基础上,可以进行稳态和瞬态的热应力分析,分析过程可以综合考虑热载荷和外载荷的影响,另外可以进行相变温度场分析,可以解决如冻结法施工等土木领域的热传导和热力学难题。

10) 声场分析

Abaqus的声学分析的功能可以对建筑结构等的噪声响应和传播进行分析,并为如体育场馆、音乐厅、歌剧院等建筑结构的优化设计提供依据。Abaqus包括线性声学单元和二次声学单元,结构-声学界面耦合单元和声学无限单元。Abaqus还包含针对声学问题的特殊边界条件,如各种反射边界条件,以及平面,圆或椭圆面上的无反射边界。

11) 子模型和子结构

为了提高计算速度,用户可以先使用粗大的网格分析整体模型,再细致构造局部模型并重新划分精细网格进行详细的分析,这个精细的局部模型称为子模型;Abaqus可以从整体分析中得到子模型的边界。利用子模型可以在不增加整个模型复杂性和计算量的前提下获得结构中特定区域更为准确的结果,也可用于研究局部结构的变化情况。

同样,把部分结构等效为一个独立单元(超单元,又称子结构),可大大节省求解运算时间或提高建模效率,这就是子结构。

对于大型土木问题,可以充分利用以上子模型和子结构功能来达到及节省计算时间又提高计算精度的目的。

12)二次开发

用户子程序:Abaqus/Standard里一共有45个用户子程序;Abaqus/Explicit里一共有4个用户子程序,这些用户子程序可以提供各种复杂功能,如进行单元二次开发,材料二次开发,复杂荷载的施加等等几乎含概了有限元分析过程中的各个部分。

GUI界面二次开发:利用通用语言PYTHON允许用户随意更改Abaqus界面,方便的实现用户化界面。

13) 土木领域其它功能

节点自由度释放功能(Release)能方便改变梁与梁之间的连接关系,网格化梁截面功能(Meshed beam cross-sections)能生成复杂的梁截面等等;施加预应力功能(Pre-Section)可以方便的施加结构的预应力,如预应力钢筋、预应力桥梁、预应力锚杆等等;多点约束功能(MPC)可以解决复杂的建筑结构约束连接问题,网格自适应及网格加密功能能解决土体大变形及精度问题等。


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