基于ANSYS的土石坝应力变形有限元分析_吴业飞

式中 : K 、 n、 Rf 为 试验参数 ; P a 为大气压 ; p 和 q 为广义应力。 B t = K bP a ( ( 6) ( 7)
R2 的影响。但由于邓肯 E - B 模型是针对二维问题提 出的 , 没有考虑中主应力 R2, 所算得的变形值偏大。为了推广到三 维问题 , 河海大学顾淦臣教授对邓肯 - 张 E - B 模型进行了 修正 , 提出用广义 应力 p 代替 R3 , 以 q 代替 ( R1 - R3) , 以 qf 代
2( R2 - R3) 。 R1 - R3 通过以上修正 , 邓肯 ) 张 E - B 模型可改写为 : Et = KP a( p n q 2 ) ( 1 - Rf @ ) Pa qf p m ) Pa p ) Pa ( 5)
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广义邓肯- 张 E - B 模型
试验表明土石坝 的应力 ) 应 变曲 线形 状都受 中主 应力
210 ( 2) qi < 0 . 95 qi- 1 。 回弹模量为 : E ur = K urPa ( p nur ) Pa
水利与建筑工程学报 如下 : ( 8) ! Duncan- Chang E - B Model
第8卷
! Symbols: P a 为大气 压力 ; c 为 材料凝 聚力 ; Fail 为内摩 擦角 ; Fai 为洛德 ( Lode) 应力 角 ; Qf 为破 坏强 度 ; S 为应 力水 平 ; p 为球应力 ; q 为广义剪应力。 * create, Duncan- Chang * afun, deg * set, Pa, 1e5 * set, P1, - ArrS3( num) 压正 * set, P2, - ArrS2( num) * set, P3, - ArrS1( num) p= ( p1+ p2+ p3) / 3 q= sqrt( ( ( P1- P2) * * 2+ ( P2- P3) * * 2+ ( P3- P1) * * 2) / 3) * IF, P3, LT , 0. 1* Pa, then P3= 0. 1* Pa * end if Fai= ATAN( ( ( - 1) / sqrt( 3) ) * ( 1- ( 2* ( P2- P3) / ( P1P3) ) ) ) Fail= Fail0- FFail* log10( p/ Pa) Qf= ( 3* c* cos( Fail) + 3* p* sin( Fail) ) / ( SQRT ( 3) * cos ( Fai) + sin( Fail) * sin( Fai) ) S= q/ Qf * if, S, GT , 0. 95, then S= 0. 95 * end if * if, Qf max( num) , GT, Q, and, S max( num) , GT, S, then Et= Kur* Pa* ( p/ Pa) * * Nur * elseif, Qf max ( num) , GT , Q, and, S then Ei= k* Pa* ( p/ Pa) * * n Et= Ei* ( 1- Rf* S) * * 2 S max ( num) = S * esleif, Qf GT , S, then Ei= k* Pa* ( p/ Pa) * * n Et= Ei* ( 1- Rf* S) * * 2 Qf max( num) = q * elseif, Qf LE, S, then Ei= k* Pa* ( p/ Pa) * * n Et= Ei* ( 1- Rf* S) * * 2 Qf max( num) = q S max ( num) = S * end if B= Kb* Pa* ( p/ Pa) * * m max ( num) , LE, P1- P3, and, S max ( num) , max ( num) , LE, P1- P3, and, S max ( num) , max( num) , LE, S, ! Creat Macro file ! Unit of angle ! set Pa= 1e5 ! 注意 : 岩 土工 程中为 拉负
第 8 卷第 4 期 20 10 年8 月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering
Vol. 8 No. 4 Aug . , 20 10
基于 ANSYS 的土石坝应力变形有限元分析
吴业飞 , 马海霞
1 2 ( 国电迪庆香格里拉发电有限责任公司 , 云南 迪庆 674402)
Abstract: In geotechnical finite element analysis, there are many restrictions in the application scope and applicability of the fi nite element software ANSYS which is without Duncan -Chang model. In order to simulate the practical characteristic of earth mass, Duncan - Chang model is formed on the basis of second development of APDL parameter design language which is provided by ANSYS, and the calculation example on an isotropic dam is verified here. The results indicate that the compiled program could fulfill the requrements of the numerial calculation and the laws of stress and displacement of the earth -rock dam. Keywords: earth - rock dam; ANSYS; APDL language; Duncan - Chang model; finite element analysis
土石坝是历史最悠久的坝型。由于它 施工简单、 造价便 宜且能适应复杂地质条件等优点 , 被广 泛应用于 各种水利工 程中。然而随着土石坝高度的不断增加 , 仅限于 渗流和稳定 计算已经不能满足现代土石坝设计的要求 , 应力 应变分析也 成为土石坝 设计的必 要步 骤。对土 石坝应 力和 变形 分析最 有效、 最准确的方法是有限元法。 ANSYS 软件是一个功能 强大 的大 型通用 有限 元分 析软 件 , 融结构、 热、 流体、 电磁、 声学于一体 , 广泛应用 于核工业、 航空航天、 机 械 制造、 能源 、 土 木 工 程 地矿、 水 利 等 多个 领 域 [1] 。它包 括金属、 混 凝土 等多 种材料 的本 构模型 , 但 尚无 土工数值分析中广泛应 用的 Duncan- Chang 模型 , 这 一遗憾 无疑使 ANSYS 软件在土工有 限元分 析中的应 用范围 和适用 性受到限制。本 文通 过 APDL 参数 化设 计语 言对 ANSYS 进 行二次开发 , 在 ANSYS 中 加入了 目前广 泛应用于 土体、 堆石 体的广义邓肯 - 张 E - B 模型 作为 土石坝 有限 元分 析的本 构模型 [ 2] , 以模拟 土体的 实际特 性 , 并采用中 点增量 法 [ 3] 进 行分析计算 , 取得了较为满意的结果。 其中 , LR = 1 qf = q= 替 ( R1- R3) f , 从而 推广 到三 维问 题 , 计算 成果 较好 [ 4, 5] 。主 要公 式如下 : p = ( R1 + R2 + R3) 3 ( 1) ( 2)
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基于 ANSYS- APDL 语言的二次开发
APDL ANSYS Parametric De -
sign Language) 是一种类似 FORTRAN 的解释性语言 , 可用来自 动完成一些 通 用性 强的 任 务 , 也可 以 用于 根据 参 数建 立模 型 [6] 。APDL 还包括其他许多 特性 , 诸 如宏、 do 循 环、 if- then - else 分支、 向量、 矩阵操 作等。 APDL 不仅 是设 计优 化和自 适应网格划分等经典特性的实现基础 , 而且它也 为日常分析 提供了很多便利。 本文根据土石坝有限元的计算 原理和 分析方 法 , 在 AN SYS 中利用 APDL 技术成功的实现了土 石坝非线性 有限元分 析。具体步骤 : ( 1) 根 据 加 载级 数 分层 建 模 , 从 而模 拟 逐 级加 载 的工 程 , 并对不同材料的单元的 EX, NUXY, DENS 分别赋值
U = U1 - $Ulg( 卸载与再加载的条件为 :
( 1) S i < 0 . 95 S i- 1, S i = q/ qf 为应力水平 ;
收稿日期 : 2010 -05 -25 修回日期 : 2010 -06 -08 作者简介 : 吴业飞 ( 1983) ) , 男 ( 汉族 ) , 安徽滁州人 , 助理工程师 , 工学硕士, 主要从事水电开发工作。
摘 要 : 因自身无邓肯 - 张模型 , 使得应用广泛的有限元 软件 ANSYS 在 土工有限 元分析 中的应 用范围 和适用性受到限制 。 本文利用 ANSYS 提供的 APDL 参 数化设 计语言 进行二 次开发 , 编制 相应的 程序建 立土体的邓肯 - 张模型 , 以模拟土体的实际特性 , 并对一均质坝算例进行验证 。 计算结果表明 所编制的 程序满足土石坝有限元计算的数值要求 , 较好的反映 了土石坝的应力 、 变形规律 。 关键词 : 土石坝 ; ANSYS; APDL 语言 ; 邓肯 - 张模型 ; 有限元分析 中图分类号 : TV641. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 ) 1144( 2010) 04 ) 0209 ) 04