基于Python的ABAQUS/CAE二次開發(fā)及其應(yīng)用

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院　廣東　廣州　510641)

概述

隨著城市軌道交通的發(fā)展，盾構(gòu)法隧道工程技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)方面應(yīng)用越來越廣泛。盾構(gòu)法施工必然對周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)從而導(dǎo)致土體變形，施工措施采用不當(dāng)可能影響隧道周圍城市建筑物及管線等的正常使用，因此有必要對盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)對周圍土體擾動(dòng)進(jìn)行研究，而現(xiàn)場監(jiān)測代價(jià)較大，受場地因素制約較多，數(shù)值模擬尤其是有限元模擬便成為了目前最有效且應(yīng)用最為廣泛的研究手段之一。近幾十年以來，有限元模擬從二維有限元模型[1]到三維彈塑性有限元模型，模型的精細(xì)化程度不斷增加，其中，國內(nèi)孫鈞等人使用了三維彈塑性有限元分析來計(jì)算開挖產(chǎn)生的位移等[1]，目前地層結(jié)構(gòu)法的有限元模型可以考慮包括地下水、盾構(gòu)與土層之間的摩擦作用，液壓千斤頂以及盾尾注漿等影響因素，并且可以通過改變材料性質(zhì)考察注漿材料和土層材料的性質(zhì)對盾構(gòu)隧道的影響[2-4]。研究表明，盾構(gòu)隧道施工對周圍土體的擾動(dòng)與泥水艙壓力、注漿壓力等施工參數(shù)有關(guān)，因此采用地層結(jié)構(gòu)法的有限元模型需要需要考慮的因素較多，模型復(fù)雜度非常高。

由于模型需要考慮較多因素，建模過程中需要處理模型各部件復(fù)雜的相互作用，后處理亦有大量數(shù)據(jù)需要提取分析，都需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。本文以大型通用有限元軟件ABAQUS為平臺(tái)，通過ABAQUS提供的GUI接口，編寫Python腳本子程序進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、參數(shù)化分析，提高了有限元模型前后處理的效率。

本文將利用目前應(yīng)用較為廣泛的方法建立三維彈塑性有限元模型，并介紹如何利用python實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化及參數(shù)化建模。

一、盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

隨著各種數(shù)值計(jì)算軟件的出現(xiàn)與快速發(fā)展,基于連續(xù)介質(zhì)的地層結(jié)構(gòu)法開始被引入到盾構(gòu)隧道的數(shù)值分析當(dāng)中，結(jié)合盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場的施工工序、支護(hù)加固型式等，建立相應(yīng)的彈塑性三維有限元模型。本文參考張?jiān)频热说难芯浚玫却鷮幽M盾構(gòu)管片外圍的注漿層，并利用變剛度法模擬盾構(gòu)施工的掘進(jìn)過程[5]。

本文中模型假定盾構(gòu)隧道采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾體外徑為10 m，機(jī)身長度為12 m，在刀盤后10 m的位置拼裝管片。假定盾構(gòu)隧道管片采用C40鋼筋混凝土管片襯砌，隧道管片設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.5 m，外徑9.5 m，每一環(huán)管片厚度為0.5m，寬度為2m。

假定計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土體為均質(zhì)的粉質(zhì)粘土，土體本構(gòu)模型采用應(yīng)用最為廣泛的摩爾庫倫模型，其重度18kN/m3，粘聚力18 kPa，摩擦角15度，襯砌采用純彈性模型，彈性模量及泊松比按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議的C40混凝土參數(shù)設(shè)置[6]。注漿層參考張?jiān)频热颂岢龅牡却鷮臃╗5]，將其簡化為襯砌外一層厚度為0.3m的線彈性材料，注漿層彈性模量隨分析步改變，注漿體單元?jiǎng)偧せ顣r(shí)模量取為0.5 Mpa，泊松比0.3，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到下一環(huán)時(shí)模量取為1 Mpa，泊松比取為0.2，容重不隨分析步改變，取21 kN/m3。盾構(gòu)機(jī)采用線彈性模型，彈性模量及泊松比按照鋼材Q235取值。

圖 1　有限元模型示意圖

模型尺寸高度約為60 m，長度約為60 m，寬度約為40 m，管片厚為0.5 m，注漿層厚0.5 m，模型示意圖如圖1所示。

采用剛度遷移法模擬盾構(gòu)開挖過程，通過殺死土體單元模擬土體的挖除，激活襯砌單元模擬襯砌的安裝，激活注漿體單元及施加注漿壓力模擬注漿過程，在掌子面施加注漿壓力模擬泥水艙對掌子面的支撐作用，激活和殺死盾構(gòu)單元模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

二、ABAQUS二次開發(fā)

上述有限元模型由于分析步較多、模型部件多等，利用傳統(tǒng)的ABAQUS/CAE手工建模耗時(shí)過多。模型的前處理中需要將土體、襯砌、注漿層及盾構(gòu)都分割成10段以上，并逐段設(shè)置土體與注漿層、注漿層與襯砌、盾構(gòu)與土體之間的接觸關(guān)系。分析步多達(dá)10步以上，需要在每個(gè)分析步定義各段土體、襯砌、注漿層和盾構(gòu)的單元激活和殺死。手工建模前處理過程需耗時(shí)約6個(gè)小時(shí)，且由于模型復(fù)雜，極易出錯(cuò)。

ABAQUS內(nèi)嵌了腳本語言Python并提供了完善的二次開發(fā)接口，上述操作若采用Python腳本只需幾分鐘便可完成。腳本的編寫思路如下：

(1)接收模型參數(shù)：通過腳本交互窗口接收用戶輸入的參數(shù)，包括模型長寬高、隧道埋深及相應(yīng)的各材料參數(shù)和盾構(gòu)施工參數(shù)。

(2)創(chuàng)建并分割部件(part)：利用BaseSolidExtrude()方法分別創(chuàng)建土體、襯砌和注漿體、盾構(gòu)機(jī)的三維實(shí)體模型，并利用PartitionFaceBySketch()方法及PartitionCellByExtrudeEdge()將部件分割成多段。

(3)賦予模型材料參數(shù)：利用material()方法及HomogeneousSolidSection()方法創(chuàng)建材料屬性，利用循環(huán)及SectionAssignmen()將材料參數(shù)分別賦予不同的部件。

(4)創(chuàng)建分析步：GeostaticStep()創(chuàng)建地應(yīng)力平衡步，StaticStep()創(chuàng)建靜力分析步。

(5)定義單元生死：用循環(huán)和ModelChange()定義各個(gè)分析步中單元的殺死和激活。

(6)邊界及荷載：Gravity()方法施加重力荷載，Pressure()方法施加泥水艙壓力和注漿壓力。

(7)劃分網(wǎng)格：seedPart()方法布全局種子，seedEdgeBySize()方法布置局部各個(gè)邊的種子，并用meshGenerate()劃分網(wǎng)格。

三、結(jié)論

基于 Abaqus 的二次開發(fā)功能，通過Python腳本子程序?qū)崿F(xiàn)快速建模，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道施工計(jì)算繁復(fù)建模過程的自動(dòng)化、參數(shù)化，提高了分析效率。通過計(jì)算實(shí)例，體現(xiàn)出該方法相對于手工建模的優(yōu)越性。為其他類似工程應(yīng)用提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉洪洲,孫鈞.軟土隧道盾構(gòu)推進(jìn)中地面沉降影響因素的數(shù)值法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001,06:24-28.

[2]王明年,張曉軍,茍明中,崔光耀.盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過程三維模擬方法及重疊段近接分區(qū)研究[J].巖土力學(xué),2012,33(01):273-279.

[3]劉紅兵.土壓平衡盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降三維數(shù)值模擬[D].中南大學(xué),2007.