地应力平衡的一个简单例子分析.pdf
abaqus地应力平衡 先说为什么要施加地应力 ： 1、我们所建立的几何模型一般和工程实际情况或尺寸相对应、相一致，比如边坡几何模型和实际边坡尺寸一致，但我们可以夸张一点想 像，实际边坡应是由一个更大一点或更高一点的不受重力的初始边坡在n 年前突然受重力和类似目前的边界条件作用下逐渐形成了今天 的尺寸大小， n 年前受重力和类似目前的边界条件作用之前边坡的尺寸大小，我们不得而知，如果能准确知晓，我们就可以建立一个那时 的几何模型，再施加重力和边界条件进行计算，变形后形状和现状边坡形状一致，其内力也就是初始应力场或地应力 ，就不用专门去施 加地应力 了，但问题是我们不能知晓边坡受力前的形状尺寸，我们现在的几何模型就是边坡现在的实际尺寸，受力后将会变成一个更小 的或与现状不一致的边坡，这不符合我们模拟现状边坡的目的。如果我们知道现状边坡的内力，将其提取出来作为几何模型的内力，再 和外力（重力）平衡，则我们建立的模型才能算和实际模型一致。 真实地知道现状边坡的内力是很难的，我们采取的办法是，用我们所建立的几何模型施加和实际模型一致的重力和边界条件进行计 算，得到变形后或变得更小或与现状边坡不完全一致的边坡内力近似的作为现状边坡的内力，并重新将其施加于与现状边坡一致的几何 模型，再施加重力（当然边界条件也应基本一致）以平衡，这样才算建立了与现状模型基本一致的模型，其下的计算才成为可能。这就 是所谓 “ 地应力 平衡 ” 的含义、目的、作用。 2. 地应 力平衡中的 外力和内力 的问题， 地应力 平衡中，显然，重力是外力，应力场是内力，仅有外力重力，没有内力是不可能的，同样， 仅有内力（专指初始应力场）而不受重力也是不可能的，否则，整个体系的力不会平衡。这就是为什么我们将提取出的内力施加于几何 模型后必须再施加重力的原因。为的是内力和外力平衡。) q0 F3 q6 H1 O# 3. 地应力 场的 方向问题 ， 有网友在论坛里问， 既然重力是向下， 为与重力平衡， 那应力场的方向是不是向上呢，这同样是我开始接触abaqus 的疑问，相信很初学者也有这样的疑问，我的理解是内力是没有向上、向下或者向其它方向的概念的，内力只有拉力或压力或剪力之分， 其方向也按是拉是压是顺时针或逆时针而分，内力往往都是成对出现，如地应力 场中的应力以压应力为主，取一个微元，则压应力同时 出现在向下和向上，你能说地应力 就是向上，与重力反向吗？ aba 中初始 地应力 场平衡一般在表面水平的情况下仅仅和密度相关，密度一样的话平衡的结果很好，别的参数改变之后经过计算， 差别很小。表面不水平的情况则最好通过文件导入初应力的情况进行平衡。一般来讲，表面不平的时候有很多因素造成误差很大。 cdstudio版主的总结： http:/forum.simwe.com/viewthread.php?tid=908486 常见的问题 ( m f/ L' 8 l4 d K: D0 q7 b8 f 4. 边坡加重力无法平衡? , r. E, j0 n: F* L4 |; 7 边坡加重力无法平衡表示边坡本身是不稳的, 请检查模型是否合理, 塑性参数是否合理. http:/bbs.simwe.com/thread-753043-1-12.htmlaba_aba 大哥解答： 你的 inp 文件中有part 和 instance, 而 geo.dat 中的节点编号前面没有instance 名称。 有两种方法： 1。建立 没有 part 的 inp 文件， geo.dat中的单元编号前面没有 instance名称。见 http:/www.simwe.com/forum/viewthread.php?tid=708942 2。 建立有 part 的 inp 文件， geo.dat 中的单元编号前面加上 instance 名称。见 http:/www.simwe.com/forum/thread-724821-1-1.html “ . R! y% M4 g: O! z! y4 8 8 G8 Q! h+ i- |7 按照第 2种方法，在你的geo.dat文件中单元编号前面加上Part-1-1. ， 例如第一行变为 3 S* v) N S# d; _“ f2 & P ( U, e7 j5 k6 Q Part-1-1.1,-1.50E+04,-3.50E+04,-1.50E+04,-1.25E-12,-1.92E-13,-4.17E-12 http:/forum.simwe.com/archiver/tid-708942.html : 先建立好你的模型，按照你的课题把边界条件、接触什么的都建好，然后使用命令mdb.models'你的模型名字 '.setValues(noPartsInputFile=ON) ，建立没有part的 inp 文件（ abaqus不认带 part 的 istress 数据） zhuyi:要写你的 model 的名字（在CAE 窗口顶部， Model 右面，默认名称为Model-1, Model-2 等等），不是CAE 或 JOB 的名称。你的 model 的名字前后都要加上单引号 地应力平衡方法 熊志勇陈功奇 第一部分地应力平衡方法简介 地应力平衡有三种方法： （1）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或 inp) 该方法中的文件FILENAME.INP获取方法为 : 首先将已知边界条件施加到模型上进行 正演计算 , 然后一般是将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6 个应力分 量( 也可以导出积分点处的应力分量, 视要求平衡的精确程度而定) 。其所采用的几何模 型可以考虑地表起伏不平的情况以及岩土材料极其不均匀的情况, 适用范围广。但由于 外插的应力有一定误差, 因此采用弹塑性本构模型时, 可能会导致某些点的高斯点应力 位于屈服面以外 , 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。在仅考虑自重情况下只能考虑受泊松 比的影响带来的侧压力系数效应, 因此平衡后的效果不一定很理想, 但无疑其适用性很 强。 （2）*initial conditions,type=stress,geostatic 该方法需给出不同材料区域的最高点和最低点的自重应力及其相应坐标。所采用的 几何模型一般较规则, 表面大致水平 , 地应力平衡的好坏一般只受岩体密度的影响, 无论 采用弹性或弹塑性本构模型都能很好的达到平衡, 可以不必局限于仅受泊松比的影响, 能够通过考虑水平两个方向的侧压力系数值来施加初始应力场。计算速度快 , 收敛性好。 缺点就是不能够很好平衡具有起伏表面的几何模型, 需知道平整后模型的上覆岩体自 重。 （3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user 该方法采用用户子程序SIGINI 来定义初始应力场, 可以定义其为应力分量为坐标、 单元号、积分点号等变量的函数, 要达到精确平衡需已知具体边界条件, 在实际中应用较 少。 第二部分地应力平衡方法实例详解 地应力平衡是岩土工程数值模拟分析的重要的内容，为了让师弟师妹们快点上手， 我利用第一种方法做一个较简单的模型，希望对大家有用。 一、 模型描述： 3 /2080mkg 7 101E 35.0 二、地应力平衡过程 (0,0) (30,0) (30,20)(0,20) 12m12m 60kpa 30m 2 0 m 地基 1.启动 ABAQUS, 单击 Create Model Datebase 2.创建部件（ Part ） 在 Part 模块，单击创建部件按钮，弹 出如右图的对话框， 按图输入部件名：Part-soil； 采用二维模型选择2D Planar ； Type 选择可变型（ Deformable ）； 基本特征选择壳体（Shell ）； Approximate size输入 70，这个数值 的大小，应根据模型的最大尺寸来确 定：稍大于最大尺寸的2倍。比如本 模型最大尺寸是30 那么我输入了70， 但也不是绝对， 你当然也可以输入65， 或 75 等等。 最后单击 Continue, 继续下一步。 按照模型尺寸 （如图）， 建立模型部件， 双击鼠标中键，完成部件的建立。 3.建立材料属性（ P roperty） 在 Module 中切换到 P roperty模块，单击，输入材料名称（name ）: Material-soil,单击 Density,在弹出对话框中输入：密度2080；然后单击 Mechaniacal ElasticityElastic,在弹出的对话框输入图，单击OK完成材料的 定义。 单击按钮，输入名字： S ection-soil,选择 Soild , Homogeneous,单击 Continue ，OK,完成截面的创立。 单击按钮，选取部件（单击或框选，选择后成粉红色，表示选中），单击Done 或单击鼠标中键来确定。在弹出的对话框中选中Section-Soil，单击 OK. 4.装配部件（ Assembly） 在 Module 选择 Assembly 模块 , 单击，弹出对话框，采用默认值，单击OK. 注意： 1. 本模型只有一个部件所以自动选中，如有多个可按Shift键全选中； 2.Instance Type 本例都无所谓，只有一个部件，但是如有多个部件，我比 较喜欢选择Independent,因为在这种情况下，所有的部件会出现在一个窗口， 划分网格更方便，并且直观的看到不同部件连接处网格划分的是否协调。 5.创建分析步（ Step） 在 Module 选择 Step 模块 , 单击，弹出下面的对话框， 创建分析步Step-1, 选择 Geostatic,单击 Continue ，在分析步编辑框Basic 中选择 On(如果会发生大变 形的情况下要选择On)，其他默认，单击OK 6.施加荷载和定义边界条件（Load） 在 Module 选择 Load 模块，单击定义边界条件，需要对模型的左、右、下 底面定义边界条件，分别命名BC-1、BC-2 、BC-3，选择初始步 （Initial） ,Displacement/Rotation, 单击 Continue ，选择左、右、下底面边界， 单击 Done ，分别选择U1、 U1、 U2（U1是水平方向， U2是竖直方向） ，单击 OK完 成边界条件的定义。 单击定义重力荷载，Name:Load-grv, 选择 Step-1 ，Mechanical ，Gravity ， 单击 Continue 。单击 Edit Region ，选择整个模型，在Component 2 中输入 -9.8（重 力加速度），单击OK 7.划分网格（ Mesh）（划分网格是一门艺术，本例只是简单的划分） 在 Module 选择 Mesh模块，单击设定网格的种子，将全局种子大小设为1，其 余默认，单击OK. 单击，采用默认，单击OK 。 单击，Family 选择 Plane Strain，其余采用默认，单击OK 单击，单击 Yes, 完成网格的划分，如下图： 8.在命令行中输入mdb.models'Model'.setValues(noPartsInputFile=ON)，按回 车键 9.在 job 模块中创建名为Job-NoInitialCondition的分析步，提交分析。 应力图 水平位移图 10.将分析得到的应力场保存为一个文本文件。具体做法: 打开分析得到的ODB 文件， 选择菜单 Report Field Output,在下图所示的对话框中，选中积分点上的各个应 力分量 （对于二维问题，应力分量S11、S22 、S33和 S12；对于三维问题，还应选 中 S13和 S23）。 图表 1 输入常变量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b.inp ，取 消对 Append to file 的选择（即创建一个新文件） ，在 Write 后面只选中Field Output （如下图所示） 。 图表 2 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。 11.按照 ABAQUS 所要求的初始应力场文件格式，修改上述文件b.inp中的内容。具体 方法为： 用 Excel 打开上述文件b.inp ，在”文本文件导入向导”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 b.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2 列数据（都为 数字 1），只保留单元编号和各个应力分量列，并将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 。修改前和修改后的数据如下： 图表 3 修改前 图表 4 修改后 下面将上述数据输出为以逗号分隔的文本文件b.csv ， 具体的方法是： 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。 12. 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a.cae ，选择菜单ModelEdit keywords,在*STEP语 句之前添加以下语句： *initial conditions,type=stress,input=b.csv 图表 5 修改前 图表 6 修改之后 13. 在 job 功能模块中将分析作业名Job-WithInitialCondition， 重新提交分析。 注意， 初始应力场文件b.csv 应该和 INP 文件 Job-WithInitialCondition.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 :b.csv(无法找到文件b.csv) 14. 查看地应力平衡的结果。 打开 Job-WithInitialCondition.odb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-NoitialCondition.odb中分析步结束时刻的应力场完全相同。 图表 7 平衡后的地应力场 15. 上面就已经完成了初始地应力平衡，接下来可以添加其他分析步（例如普通的静力 分析步 Static，General ），定义接触和实际的荷载，并去掉前面第一步中临时边 界条件 图表 8 施加静力的模型 图表 9 应力云图 图表 10 位移等值线图
