基于ABAQUS的堆石壩施工過程模擬的實(shí)現(xiàn)

許 萌

基于ABAQUS的堆石壩施工過程模擬的實(shí)現(xiàn)

許 萌

介紹了利用有限元軟件ABAQUS實(shí)現(xiàn)堆石壩施工模擬的input文件建模方法,以及利用UMAT接口調(diào)用材料本構(gòu)子程序,成功對(duì)堆石壩的施工過程模擬分析,并用一個(gè)算例說明實(shí)現(xiàn)的過程,總結(jié)歸納了input文件編寫命令流的要點(diǎn)和格式。

UMAT,施工模擬,生死單元,input文件

0 引言

在我國,隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的快速實(shí)施,我國已建、在建和擬建有大量堆石壩。堆石壩的施工過程是分期施工的,這可以通過有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬。下面闡述如何在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)堆石壩施工過程的模擬。

1 堆石壩施工模擬的思路

堆石壩施工過程中考慮到壩體材料的非線性和施工填筑的分級(jí)性,可采用ABAQUS模擬堆石壩施工和蓄水各階段的應(yīng)力和位移結(jié)果。

由于ABAQUS中除了提供自帶的材料模型,還提供了一些用戶子程序接口,允許用戶自定義符合自己?jiǎn)栴}的模型,大大增加了ABAQUS的應(yīng)用性和靈活性,其中與材料本構(gòu)關(guān)系直接相關(guān)的子程序是UMAT。因此,壩體材料的非線性可以通過ABAQUS中UMAT接口調(diào)用用戶自定義材料子程序來考慮。例如可調(diào)用fortran語言編寫的鄧肯張E-B彈性非線性模型的材料子程序。

在壩體應(yīng)力變形計(jì)算中,認(rèn)為壩體是分級(jí)施工而不是一次施工到頂,將所有荷載由全結(jié)構(gòu)整體承擔(dān),逐級(jí)加載和一次加載在變形機(jī)理上和計(jì)算結(jié)果上都不同。堆石壩逐級(jí)加載達(dá)到一定的高度時(shí),只有該高度以下已經(jīng)填筑的土體來承擔(dān)荷載。可以借助于ABAQUS軟件提供了“生死單元”的功能,分別由＊model change,add,type=element和＊model change,remove,type=element兩條input文件中的命令來實(shí)現(xiàn)單元集合ELSET的生和死。這里的“生”是指激活單元,將結(jié)構(gòu)的某些部分激活,參加結(jié)構(gòu)的受力和變形;“死”是指殺死單元,將結(jié)構(gòu)的某些部分撤除,使它們不參與結(jié)構(gòu)的受力和變形。

2 ABAQUS中堆石壩施工模擬的實(shí)現(xiàn)步驟

Inp文件[1-3]由一系列的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成,每個(gè)數(shù)據(jù)塊描述模型的某部分特定信息,一般以＊號(hào)的關(guān)鍵字開始,其后帶有相應(yīng)參數(shù),以及一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)行。

通過編寫ABAQUS中的inp文件,建立堆石壩計(jì)算模型,設(shè)置模型參數(shù),控制分析過程,完成施工模擬分析。

文中對(duì)堆石壩施工模擬的建模及分析過程,其中最為關(guān)鍵的命令需注意以下幾點(diǎn)：

1)填土分層施工,將不同的土層定義為不同的節(jié)點(diǎn)集合＊Nset,nset=Fill-1和單元集合＊Elset,elset=Fill-1(這里的Fill-1表示填土第 1層),例如：

其含義是：定義壩底的邊界,基巖的底面三個(gè)方向受約束,其他約束類似編寫。

3)設(shè)置分析步,迭代次數(shù),初始步長(zhǎng)等。采用自動(dòng)時(shí)間增量步長(zhǎng)的控制方式,時(shí)間步長(zhǎng)大小取決于滿足誤差要求的非線性迭代次數(shù)、設(shè)定的初始時(shí)間增量步長(zhǎng)。為了保證計(jì)算收斂,一般給出較大的總增量步數(shù)和較小的初始增量步長(zhǎng),ABAQUS默認(rèn)的總增量步數(shù)為 100次,最小增量步長(zhǎng)為 10-7。本文設(shè)定的最大迭代數(shù)為 10 000,初始增量步為 0.001,最小增量步長(zhǎng)為 10-5,最大步長(zhǎng)是2。例如：＊Step,name=Water,inc=10 000;＊Static 0.001, 10.,0.000 01,2.

4)生死單元,根據(jù)施工情況確定要?dú)⑺篮鸵せ畹膯卧恢?建立需要?dú)⑺纑emove和需要激活add的單元集合,全程模擬從施工開始階段到結(jié)束階段。例如：

3 算例

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)大渡河上游,是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的上游控制性水庫,也是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的關(guān)鍵性工程之一,最大壩高 314m。

節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì) 3 344個(gè),單元數(shù)共計(jì) 1 609個(gè),采用C3D 8實(shí)體單元,分 28級(jí)填筑施工,邊界條件是對(duì)壩體底部施加X,Y,Z三個(gè)方向的約束。網(wǎng)格劃分、材料分區(qū)、應(yīng)力位移結(jié)果如圖 1～圖 4所示。

4 結(jié)語

本文主要介紹了利用ABAQUS實(shí)現(xiàn)堆石壩的施工模擬及input文件編寫命令流的要點(diǎn)和格式。

1)在ABAQUS中可以添加調(diào)用用戶自定義的本構(gòu)模型,比如鄧肯張模型、劍橋模型等,利用ABAQUS強(qiáng)大的非線性計(jì)算能力,還有UMAT接口,有望擴(kuò)展ABAQUS的應(yīng)用范圍,為土石壩分析或者其他復(fù)雜土工數(shù)值分析提供方便實(shí)用的途徑。

2)應(yīng)用ABAQUS的input文件建模分析堆石壩施工模擬的方法,可供今后類似堆石壩工程施工模擬建模分析參考,有助于運(yùn)用ABAQUS研究堆石壩的其他問題參考。

[1] 費(fèi) 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[2] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] ABAQUS6.9 Documatation：Abaqus Analysis User's Manual [Z].

Simulation of the construction p rocess of rockfill dam based on ABAQUS

XU Meng

This article introduces themethod using formodelingby input files and connecting thematerial constitutive subroutine.The finite elementanalysis is adopted to simulate and calculate the stress and deformations of core rock fill dam during its completion and operation periods. The process of implementation is introduced with an example,sums up the key points and formats of the command stream com piled by input document.

UMAT,sequential construction,dead element,input files

TV641.4

A

1009-6825(2011)09-0224-02

2010-11-30

許 萌(1986-),男,同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利系碩士研究生,上海 200092

·機(jī)械與設(shè)備·