土木工程

Abaqus結構分析在土木工程的功能簡介

土木工程是CAE有限元素分析應用的一個重要領域。工程機具設備的強度、壽命和可靠性分析,以及鑽探、開挖、採礦,施工等過程的力學模擬都是結構工程領域中深入、複雜且極具挑戰性的課題,需要多門學科的理論和方法的綜合應用。

針對土木領域關注的各種線性或非線性力學問題,Abaqus有針對性的提供相應的CAE有限元素分析解決方案。Abaqus結構的分析能力已被全球各大建築設計單位所檢驗並得到廣泛的認可。

材料模型是確保分析結果正確與否的關鍵因素,Abaqus提供多種岩石、土壤材料組成率,如等向性或異向性材料之線彈性行為,與圍壓相關的降伏準則或是多個降伏面準則,可適用於黏土、沙土到岩石的各種岩土材料。4種混凝土的材料模型分別適用於普通靜力分析、瞬態動力分析、循環往復荷載分析(如抗震分析)、高壓混凝土結構分析(如高圍壓隧道、核廢料掩埋隧道等受高壓混凝土結構)。

超過600種以上的元素種類,除有限元軟體裡常見的實體、樑、薄殼與薄膜元素外,Abaqus還包括土木中應用的特殊元素,如實體薄殼(Continuum Shell)、土壤與管柱連接元素(Pipe-Soil)、加強筋元素(Rebar)、錨鏈元素(Drag Chain)等等,滿足土木領域的各種需求。

Abaqus擁有強大且多元化的分析功能,土木產業常見的靜力分析(包括土體的滲流、固結分析等)、隱式、顯式動力分析、模態分析、複模態分析、線性挫屈分析、非線性挫屈分析、挫屈後行為、隨機振動分析、反應譜分析,穩態反應分析、質量擴散分析、熱傳導分析,熱力耦合分析、水下衝擊分析等等,足以解決土木工程中的絕大部分的靜動力問題。

大地工程的塌方、岩爆、坑道變形和支護結構破壞,以及地面工程的岩基失穩和邊坡破壞等的發生,都是由大地應力而引起的。因此必須弄清楚土(岩)體的初始大地應力場分佈。Abaqus提供Geostatic分析步,建立濕土(考慮靜水壓力)和乾土(不考慮靜水壓力)初始大地應力,而且可藉由輸入側向土壓力係數,給定土體或岩石的初始側壓力,甚至可以建立係數大於1的高圍壓岩石的大地應力平衡。

Abaqus的Soil分析步,不光提供滲流與力學耦合的穩態滲流分析功能、瞬態固結功能、而且提供了非飽和土的分析功能,可以分析大壩的滲流以及土體在荷載作用下的固結問題等等。

建築結構的施工過程中往往涉及開挖或填土,Abaqus提供方便的元素移除與加入功能,用於模擬此類的施工過程。

Abaqus可分析傳導、輻射和對流等熱交換方式,熱量在介質內部和介質之間的傳播。穩態和瞬態的熱應力分析全盤考慮熱載荷和外力的交互影響。相變溫度場分析用來解決如凍結工法等土木領域的熱傳導和熱力學難題。

Abaqus的聲學分析功能可以對建築結構等的雜訊反應和傳播進行分析,並為如體育場館、音樂廳、歌劇院等建築結構的優化設計提供依據。Abaqus包括線性聲學元素和二次聲學元素,結構-聲學介面耦合元素和聲學無限元素。Abaqus還包含針對聲學問題的特殊邊界條件,如各種反射邊界條件,以及平面,圓或橢圓面上的無反射邊界。

使用者二次開發的介面上,有使用者副程式:Abaqus/Standard裡一共有45個使用者副程式;Abaqus/Explicit裡一共有4個使用者副程式,這些使用者副程式可以提供各種複雜功能,如元素二次開發,材料二次開發,複雜荷載的施加等等幾乎含概了有限元分析過程中的各個部分。以及GUI介面二次開發:利用通用語言Python允許使用者隨意更改Abaqus介面,方便實現使用者化介面。

其它功能如節點自由度釋放功能(Release)方便改變樑與樑之間的連接關係。網格化樑截面功能(Meshed beam cross-sections)生成複雜的樑截面等等。施加預應力功能(Pre-Section)可用於預應力鋼筋、預應力橋樑、預應力錨杆等等。多點約束功能(MPC)解決複雜的建築結構約束連接問題。網格自我調整及網格加密功能解決土體大變形及精度問題等。

Abaqus在建築工程中的應用

當前的土木結構不僅越來越高大,而且越來越美觀、結構越來越複雜,同時又給結構設計帶來了巨大挑戰,對複雜建築結構做靜、動力計算已經變得必不可少,Abaqus在建築結構行業也得到廣泛應用,如下所述。

高層建築結構的振形分析

模態分析是所有動力分析最基本的課題,用來確定結構振動特性。其旨在使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動;使工程師認識結構對於不同類型的動力載荷是如何反應;有助於在其它動力分析中估算求解控制參數(如時間步長)。由於結構的振動特性決定其對於各種動力載荷的反應情況,所以模態分析也是其它進一步動力學分析的起點,例如瞬態動力學分析、頻譜分析等。

高層剪力牆彈塑性動力分析

2002年以後,隨著建築行業新標準的正式實施,對建築結構的彈塑性分析要求最終被正式地寫入行業規範之中。

為滿足結構的二階段設計抗震設防要求,各地有大量的超高層建築或標誌性工程被要求進行彈塑性分析,確保這些建築物在發生數百年一次的大地震時仍保有足夠的承載力,不至於造成過大的生命和財產損失。

由於台灣地理位置的特殊性,50m以上高層建築大量採用混凝土剪力牆作為抵抗風荷載和地震力的主要受力構件。

混凝土剪力牆是一種典型的彈塑性構件。在彈性階段的分析中,忽略其塑性特性,按彈性殼元素計算,下圖是某高層建築剪力牆彈塑性分析結果:

 

框架結構地震反應分析

針對動力問題,尤其地震反應,Abaqus採用隱式動力學演算法,同時也可以進行顯式動力學分析,求解時域內結構體的反應。下圖分別是上海現代設計院和廣州數力工程顧問有限公司所做的世界第二、中國第一高層建築——環球金融中心,CCTV大廈、廣東省博物館和某高層結構的地震反應分析結果。

 

瀝青混凝土結構開裂分析

Abaqus的破壞力學分析功能可準確模擬脆性材料的裂紋擴散行為,下圖是某大學分析得到的混凝土裂紋擴展及實驗結果對比後之結果。

(有限元模擬結果)

(試驗結果)
(試驗結果與模擬結果對比)

Abaqus在岩土工程的功能簡介

地下工程及深基礎工程的建設安全與品質、施工環境保護,是城市建設者應優先考慮的問題。岩土介質本身非常複雜,如岩土的結構、孔隙、密度、應力歷史、荷載特徵、孔隙水及時間效應等等。Abaqus有效分析岩土的力學性能及對岩土工程的各個方面進行模擬,以下是幾個典型應用實例。

隧道開挖問題

隧道開挖工程有其一定的施工程序與步驟,控制條件往往在施工過程中。如,岩土工程分析必須逐步模擬施工過程中結構形體的變化、材料的演變、約束與外載荷條件的改變。

 

不飽和膨脹土壤的開挖問題

岩土工程分析往往涉及到土體和滲流的相互作用,需考慮有效應力來描述含水土體的受力狀態。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,必要時進行滲流場、應力場、溫度場等多物理場的耦合分析。

工程中遇到的土體大多數處於不飽和狀態,如: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。不飽和土是固-液-汽三相複合介質,其工程性質十分複雜。在一系列的工程問題中,涉及到有效應力、變形、水運動、堤壩滲流變形、油氣開採、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,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。

(飽和度隨時間變化)
(水平位移隨時間變化)
(孔壓隨時間變化)
(空隙比隨時間變化)

施工過程對環境的影響

以北京地鐵十號線一期工程國貿站為案例,該站體工程具有開挖跨度大、臨時支撐和工法轉換頻繁、時空效應顯著、地質條件複雜、邊界環境條件限制嚴格、施工難度和風險極大等特點。國貿站建造過程中包含材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時空效應等特點。

(施工完成時塑性區分佈)
(施工完成時橋樁基的變形)

邊坡穩定的剪切帶計算

應變局部化現象常見於岩土工程,最為典型的是土體失穩時形成的剪切帶。剪切帶形成的研究對於評價土工結構物的安全性和穩定性等問題具有重要意義。

(100元素網格塑性區分佈圖)
(200元素網格塑性區分佈圖)

降雨入滲條件下不飽和土邊坡分析

降雨入滲是一種典型的不飽和流固耦合現象,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。分析不飽和流固耦合過程要考慮多因素控制方程,並求出各種邊值問題的解。

下方為降雨72小時位移變化等值線
(水準位移變化等值線 /mm)
(垂直位移變化等值線 /mm)

以下為停雨72小時位移變化等值線
(水準位移變化等值線 /mm)
(垂直位移變化等值線 /mm)

節理材料的邊坡穩定性分析

岩石是一種非常複雜的材料。其材料性質不光表現高度非線性,節理的存在更表現出異向性。Abaqus在分析岩石方面不僅提供岩石的塑性行為,更提供節理性質,真實模擬岩石材料的受力力學特性。

(節理材料的邊坡穩定性分析)

邊坡穩定性分析

如邊坡穩定分析這類高度非線性的問題,Abaqus可直接計算出邊坡穩定的安全係數,亦可動態模擬安全係數小於1的邊坡滑坡的整個過程。下圖是Abaqus/Standard得到的邊坡土釘加勁與否的結果。

(等值塑性應變)
(屈服因數:表徵屈服的程度)

同樣,Abaqus/Explicit還能模擬土體結構滑坡過程的進行。

石油隧道壁的侵蝕

原油在開採過程中,內部通常有些細小砂石,這些砂石具備一定的速度,它們和傳輸管道的內壁相互作用,會對管道內壁進行磨損,Abaqus提供的Umeshmotion功能可以對這類問題進行模擬,得到管壁被侵蝕的程度。

Abaqus在橋樑工程中的應用

橋樑結構涉及幾何非線性問題,這種非線性是由於大位移、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。對於設計之後的分析,用於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,借助電腦精確地分析結構。Abaqus在橋樑施工,橋樑動、靜力計算上具有獨特的優勢,如橋樑的應力分佈、變形情況、自振頻率、振形、地震反應特徵、失穩特徵等等。

橋樑施工過程模擬

在橋樑施工方面Abaqus提供元素移除與填入、鋼筋混凝土材料性質以及鋼筋預力等功能。

(橋樑施工過程模擬)

橋樑模態分析

Abaqus提供三種振型的求解器:Lanczos、Subspace及AMS方法,三種方法各有優缺點,Lanczos方法實用於規模較大,頻率提取多的結構,Subspace方法實用於規模小,頻率提取少的結構。AMS方法是新的模態求取方法,該方法計算速度遠遠超過前兩種方法。右圖橋樑長140m,高80m。其一階和四階振型如下圖所示。


(橋樑模態分析)

美國金門橋地震反應分析
Abaqus有功能強大的顯式求解器,下圖是利用Abaqus顯式求解器對美國金門大橋做的地震反應分析。

 

重慶荊沙長江斜拉橋結構三維模擬
位於湖北省荊州市的荊沙長江公路大橋南汊通航孔主橋如下圖所示,主跨配置為160+300+97m,橋樑全長557m,下圖分別是利用Abaqus對該橋做的施工過程模擬、結構動力反應及地震反應分析結果。



 

Abaqus在水工中的應用

Abaqus對於模擬諸如大壩等建築物的力學行為具有強大的優勢,可以對這些結構的穩定性和應力狀態進行分析計算,並且可以進行防滲計算。在計算中可以考慮水壓力、溫度場、滲流場、重力場作用以及溫度場和力場、滲流場和力場的耦合。

土壩施工、快速降水及抗震分析

當土體的坡度小於一定值時,土壩的結構取決於土體保持穩定的能力。但是在一定的載荷情況下,土體的穩定性要做折衷處理,在設計過程中要考慮到這些載荷情況。

Koyna重力壩抗震分析

壩基尺寸長為103m,寬71m,當地發生地震時,水庫的水位為91.75m。採用Abaqus對該壩在實測的地震加速度作用下的結構反應分析,採用混凝土損傷塑性材料模型,分析結構的穩定性和任意載荷作用下結構的破壞情況。

(混凝土壩地震反應損傷分析)
(水準方向峰值反應)

水壩的穩態滲流和應力分析

該問題討論的是位於岩石基礎上的混凝土大壩,壩高30m,取岩體基礎深30m,在30m的深處為不透水邊界。

(短期變形)
(短期塑性應變)
(長期變形)
(長期孔隙壓力)

水力劈裂模擬分析

Abaqus提供帶孔壓自由度的粘結元素。可以模擬土體因為水壓過大而被劈裂的過程。

Abaqus在其它領域中的應用

 

內部高溫下的容器變形模擬

類似油罐等結構在實際應用中常常需要考慮極限載荷或災難性載荷作用下的變形。Abaqus可以保證結構失穩時很好的收斂性。

預應力混凝土安全殼分析

該專案由美國核管理委員會(NRC)和核動力工程公司(NUPEC)組織並資助,用於研究核容器在超過設計壓力時的性能。該專案包括幾個階段,其中一個階段是將預應力混凝土壓力容器(PCCV)結構內壓加到失效狀態,在55個標準的輸出位置預計變數的演化過程。核容器設計壓力: 0.39MPa; 線性增加到 0.78MPa; 高度非線性 (開裂): 0.78MPa 到 1.4MPa。Abaqus擁有複雜的混凝土損傷模型,靈活的Rebar元素模擬鋼筋,高精度非線性求解,對大規模三維模型進行平行計算等功能來完成該項目的模擬。參加該專案的單位清單如下,大部分使用者選擇了Abaqus作為分析工具。


 

核電站地震反應分析

俄羅斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元軟體模擬核電站在地震載荷、空氣爆炸、飛行器碰撞等特殊動力衝擊下的反應譜,確保結構的安全性。由於核電站結構存在複雜的振動模態形式,採用三維有限元的計算結果比原來採用的基於樑理論的分析方法更加貼近實際。

Abaqus/Standard有完整的頻域動力學解決方案,包括:自振頻率提取,模態動力學,基於模態和直接積分的穩態動力學分析,隨機反應分析,反應譜分析等等。以上所有分析可以基於線性或者非線性的狀態進行(如考慮結構預載荷的頻率提取分析),通過step by step的分析方法來實現多步驟的分析。結構基礎的位移,速度或加速度可以設置成隨時間變化(模態動力學)或隨頻率變化(穩態動力學)。配合Abaqus/Explicit時域動力學的分析方法,可以為該類振動和衝擊問題提供完整的解決方案。

 

Abaqus/Aqua簡介

Abaqus/Aqua是美孚石油公司同Abaqus公司合作開發,該模組的一系列功能可以附加在Abaqus/Standard上應用。該模組能夠模擬海上結構,例如海洋石油平臺或立管。其中某些功能包括模擬波浪、風載荷及浮力的影響。

Abaqus/Aqua 拓展了 Abaqus/Standard 在海洋工程中的應用。它包括海洋平臺導管架和立管的分析、 J 形管的拖曳模擬、底部彎曲計算和漂浮結構的研究。結構可以承受由穩定流和波效應引起的拖曳力、浮力和流體慣性載荷。還可以為自由水面以上的結構施加風載。 Abaqus/Aqua 與 Abaqus/Standard 其他的功能相容,同時可以考慮靜力、動力或頻率分析中的線性和非線性效應。

Abaqus/Aqua功能簡介

周圍介質
1. 流體分佈
使用者提供流體密度和引力常數,同時需要提供穩態流速度與相對海床的位置和高度的函數。

2. 波的分佈
可以通過分析過程中計算的流體粒子速度、加速度和動力學壓力,可以定義重力波。同時包含Airy(線性)波理論和Stokes 5階理論。Airy理論允許任意數量的波列沿不同的方向傳播。單個波列用於Stokes非線性理論,適合於模擬深水或大浪的情況。另外,可以直接在固定的網格上指定波速、加速度和動力學壓力,然後通過線性或二次插值得到感興趣點的相應的值。使用者還可以通過使用者副程式,將其他類型的波載施加到結構當中。

3. 風的分佈
因為 Abaqus/Aqua紀錄自由表面的高度,而且還允許結構的部分浸沒,所以風載只對結構暴露在空氣中的區域有效。用戶可以指定風速的分佈,用於計算樑、管道和一維剛體元素的載荷分佈。風的分佈在水的自由表面以上的部分以指數函數的形式沿高度變化。在水平面上,風不發生變化。

載荷
除了Abaqus/Standard提供的載荷形式(重力載荷、靜水壓力等等),Abaqus/Aqua為部分或全部浸沒的結構提供特定的載荷庫。使用者可以指定那些元素承受那些類型的載荷,比如浮力或拖曳力。基於元素的幾何形狀、流體性質、穩態流、波的形式和風速的分佈,程式將自動確定載荷的大小和方向。

 

1. 拖曳載荷
利用 Morison 方程計算拖曳載荷。流體和風都可能在結構上產生拖曳載荷。流體表面之下的穩態流和波荷載引起流體拖曳力,它同時具有橫向和切向的貢獻;風載施加於結構在洋流表面之上的部分,只具有橫向作用。在流體和結構之間,切向和橫向的作用力同相對速度的平方成比例。

2. 浮力載荷
基於外露表面與垂直方向的取向計算浮力。預設情況下,提供封閉端條件。浮力可以用於梁元素、管道元素和彎管元素,還可以施加到剛體的表面用於研究浮動結構,比如張力腿平臺和海船。拖曳力、浮力和點載荷可以施加于剛梁。可以得到剛體參考點暫態的全部垂直載荷、剪力和翻轉彎矩。當浮力載荷同波分佈同時施加時,由靜止表面干擾引起的動力學壓力被添加到靜水壓力,用於計算總體浮力載荷。

3. 慣性載荷
慣性力是基於管道和周圍流體相對加速度而引入的附加品質的貢獻。拓展 Morison 拖曳方程,允許用戶分離從穩態流引起的部分拖曳載荷和從波引起的部分拖曳載荷,然後在單個分析中獨立地施加這些載荷。頻率分析可以包含這些附加品質效應。

附加特徵
錨鏈:
錨鏈用於海床管道的安裝。它的重力與連接管道的漂浮設備的浮力平衡。 Abaqus/Aqua 中,錨鏈被理想化為通過懸鏈線與管道相連的管道固定支座,適合於模擬管道的運動比錨鏈長度大很多的情況。

各項異性海床摩擦:
在分析管道直接位於地面或海床上的回應時,摩擦的影響將非常重要。阻礙管道橫向運動的阻力大於平行於管道方向的阻力。各項異性摩擦模型可以分析這種效果。海床較軟的自然現象可以通過在剛體表面使用軟接觸表面行為恒容易的模擬。

樁腳連接元素:
樁腳連接元素利用等效的彈塑性回應,近似的模擬某些海洋平臺結構與土壤的接觸。

筒體結構的滑動線通過:
在其它的管道中拉伸管道,將管道從海床提升到海面。Abaqus/Aqua具有專門模擬J形管拉伸的元素。

自升式鑽塔底座分析:
利用特殊的元素模擬樁腳和海床的彈塑性接觸。

纜繩元素:
在底部彎曲分析中,通過纜繩在海床上拖動管道。

Abaqus/Aqua應用實例

1. 海底管線的鋪設分析
該算例充分考慮了船體的水浮力、波浪對船及管線的衝擊力等等,通過分析可以得到管線的彎曲應力,與海底的接觸點等。

 

2. 海底管樁的壓入過程分析
樁的壓入過程比較複雜,下圖是利用Abaqus/Aqua模組得到的樁的壓入過程塑性應變的結果。

 

3. 海底管線熱力耦合分析
海底管線由於受季節性水溫影響,將產生熱應力從而引起管線的位移,Abaqus/Aqua可以考慮管線與海底的接觸及水浮力的影響。下圖是由於海水升溫海底、管線受季節性影響出現的管線漂移現象,計算中考慮了水浮力影響。