浅谈ANSYS有限元在岩土工程中的运用

2015-04-08吴燕泉邱志博

四川水泥 2015年9期

关键词：步长重力岩土

吴燕泉邱志博

（福建省建筑科学研究院，福州 350025）

浅谈ANSYS有限元在岩土工程中的运用

吴燕泉邱志博

（福建省建筑科学研究院，福州 350025）

在岩土工程中，土的构成及与土联系的结构构成复杂，且难于直接观察。运用有限元的方法能够通过对分析对象划分节点、单元，附以一定的有限元边界条件，通过一定的有限元算法得出各个节点、单元的位移应力数值解，然后基于结果数值，描绘出各个结果数值的等高线图，继而可以直观地将土与结构的相互作用以数值的方式呈现出来。

岩土工程 ANSYS 有限元

一、引言

ANSYS软件功能是比较强大的，它主要能够进行的分析有：结构分析、流体分析、热分析、电磁场分析、多场耦合分析。它的处理器有九个，常用的有预处理器、求解器和通用后处理器三种。预处理器包括了建模和网格划分，求解器包括荷载和边界条件的施加和求解设置，通用后处理器包括对所得了数值结果的读取和观察。ANSYS中提供了GUI和命令流两种输入方式，GUI方式即图形使用者界面，即：通过鼠标在软件操作界面进行选取操作，通过对话框的形式完成分析。命令流方式主要指 ANSYS参数化设计语言（APDL）自身的运用，并通过 APDL进行软件的二次开发。

在岩土工程中，分析边坡稳定性的时候，可以运用折减系数法，对土的粘聚力、内摩擦角进行相同折减或者双折减，在未事先假定滑动面情况下得出边坡的滑移破裂面。层层土下，分析桩土的共同作用，通过划分土层厚度并赋予不同的材料属性，施加荷载，可以获得层层土与桩的相互作用，及桩顶位移荷载曲线，对于复合地基下，还可以得到桩土作用的中性面，并用于分析各个层层土效果下中性面的变化情况等等。有限元可以运用其单元生死的功能，模拟整个施工过程；可以运用及增量加载方式，模拟各个工况荷载的施加；可以运用重力或者加速度方法，模拟土在自重作用下固结的初始地应力；可以运用接触面设置方式，模拟各个结构之间的相互接触。

二、有限元分析步骤

进行有限元分析的步骤：a、离散化结构。b、得出单元刚度矩阵。c、建立平衡方程。d、设置边界条件、施加荷载。e、求解方程。

与之相应的ANSYS计算求解操作也分为以下几个步骤：

1、建立相应的几何模型。在建模过程中，要尽量加大土的长度和宽度以尽可能消除边界效应对计算结果的影响。

a、土体的弹塑性。土体服从摩尔库伦屈服准则，而摩尔库伦准则π平面为一个不规则的六角形截面的角锥体表面，进行数值计算是很困难的，ANSYS软件采用的是德鲁克布拉德屈服准则。D-P模型为摩尔库伦的简化，是摩尔库伦六边形的外接圆。在数值计算中消除了尖点的影响，使得计算变得容易进行。

工程计算中采用D-P准则来计算会出现计算精度不高且结果偏于不安全，徐干成、郑颖人等学者对土体的屈服准则做出了很大的贡献，得出了摩尔库伦等面积圆D-P准则（三维）、平面应变摩尔库伦匹配D-P（关联与非关联）准则和内角点外接D-P准则。经过了多年的工程应用与模拟数值结果相比对，都能得到较好地验证。通过进行c、φ值的变换使得ANSYS用自带的D-P准则在土体材料的模拟更具有可信度。

b、接触面设置。结构与土接触变形是一种状态非线性问题。目前对于结构与土间的接触问题研究还不是很深入，除了大量的实验分析之外并无一个系统的成熟的理论。摩擦力的大小与结构表面的粗糙程度成正比关系，并当表面达到一定粗糙程度时，摩擦力不再增加。有关试验表明接触面与土体含水率和含碎石量有重要的关系。土体的含水量和含碎石量直接影响了土体的 c和φ值，接触面随着含水率的增大，c和φ值均减小，且φ值的下降速率显著于c值的减少，抗剪强度减小。接触面随着含石量的增加，抗剪强度先变小后增大。

在ANSYS中采用的是无厚度节理古德曼单元，模拟接触面时候采用的是建立桩土面间的点对点、点对面、面对面接触对。对于一般混凝土表面，在粘性土中摩擦系数为0.25～0.4，在砂土中的摩擦系数为0.5～1.0。

2、划分网格。网格划分在二维模型时，可以采用自动网格划分和映射网格划分；在三维模型时，可以采用自动网格划分、映射网格划分和扫射网格划分。自动网格划分出来的网格是没有规则的，可以根据需要调整网格的疏密，映射网格划分和扫射网格划分画出来的网格是有一定的规律性，可以通过调整设置网格的疏密程度。如果考虑到模型中的接触分析，因此尽可能地避免计算过程中出现网格畸变产生负的雅克比矩阵导致计算不收敛，对模型进行相应的分割和相应线的连接，网格宜采用规则网格——映射网格划分或扫射网格划分。

3、设置边界条件、施加外荷载。

a、重力的考虑与施加。

岩土材料不像混凝土、机械零件等，岩土的自重固结赋予了岩土与其他材料不同的性质。因此地应力的考虑让ANSYS分析显得困难了一些。在分析外荷载的作用下结构与土产生的相互作用效果时，需要扣除重力产生的位移，解决的方法有两种：第一种是载荷步设置：第一步重力作用，第二步重力+外荷载作用，分析结果要用第二步结果减去第一步结果。第二种是初始应力施加：做法是在单独施加重力作用的时候求解并用iswrite生成初始应力文件，然后重新进行设置，在施加外荷载前用isfile读入初始应力（以满足模型中只有初始应力没有初始位移，符合实际情况），再施加外荷载，最后求解。

ANSYS中没有直接的重力载荷，在 ANSYS中重力荷载是属于惯性部分的知识，一般通过施加加速度的方式来完成，可以是线加速度，也可以是角加速度。对于竖向承压桩而言，可以不施加重力荷载，但对负摩阻力、抗拔桩基础则不行。

b、不同工况下的处理。

一个载荷步指的是边界条件和外加载荷新的一次设置，可以对一个载荷步进行一次或多次求解。而对于一个工程实际问题单单的一个工况是不符合实际的也是不可能的，因此需要有多个工况组合而成。对于多个工况下的处理问题有几种方法予以解决。可以采用多次求解方法和载荷步文件方法，也可以采用重启动法。

多次求解的方法是在不离开求解过程时，等每一步预先设置的载荷步求解完成后才能进而去定义下一次载荷步。具体做法是：1、在预处理和求解设置准备完毕之后定义第一个载荷步并用时间来控制求解时间计数2、直接对设置好的载荷步进行求解；3、在不要退出求解器的前提下，按实际工况需要为第二次求解改变或重新设置载荷步；4、直接对再次设置好的载荷步进行求解；5、在不要退出求解器的前提下，继续进行步骤3和步骤4，直到所有的载荷步完成；6、待所有工况求解完毕后进行后处理操作。

4、求解设置。

a、最小二分法，以加速计算收敛。为了求出单桩极限承载力可以通过ANSYS中逐级加载的增量加载方式来实现。在ANSYS中打开Solutioncontrol，自动时间步长（autots，on）是打开的，即调用了最小二分法逐级自动加载求解。自动时间步长采用的是最小二分法，该方法能够有效地得到极限承载力。最小二分法即在求解设置时，设置载荷子步，最大载荷步和最小载荷步，程序在第一子步开始计算的时候以该载荷步总荷载/载荷子步的荷载为步长，完成第一子步运算后，程序会根据前一子步的收敛情况确定当前的步长，步长的范围为该载荷步总荷载/最大载荷步和该载荷总荷载/最小载荷步。程序在此范围内选择了一个更容易收敛且更省时间的步长进行迭代计算，当加载到一定荷载时，所选步长计算超过规定的迭代次数仍然不收敛，程序会自动取前一子步的1/2步长进行再次迭代，如此重复使得所得计算趋于收敛。

b、选择正确的求解器，以达到正确快速求解方程组。方程组解法可以直接解也可以迭代解。

5、结果分析。