ABAQUS用户子程序在分析大型海洋结构物地基承载力特性中的应用

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第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
例如热传导、质量扩散、电子部件的热控制(热电耦分析)、声学分析、岩土力学分析(流体渗 透/应力耦合分析)及压电介质力学分析[1]。 ABAQUS 中现有材料库不一定适应于海洋土非线性 分析[2]。为此，本文利用用户材料子程序(UMAT)接口添加并开发了 Duncan-Chang 本构模型的 E-B 模式。进一步，针对桶形基础在单个荷载加载模式下承载力性能进行了分析，证明其实用 可行。
(1 State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2 Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. School of civil engineering, Ludong University, Yantai, 265304, China) Abstract: As a large FEM software, ABAQUS has both powerful capacity for numerically solving varied large-scale nonlinear problems in engineering practice and use-friendly possibility for extending material libraries to consider the given constitutive model of a specific material. The nonlinear hyperbolic stress-strain relation developed by Duncan and Chang which is widely employed in geotechnical engineering community has been not implemented in this software. In this paper, the E-B formulation of the nonlinear model of Duncan and Chang is numerically implemented by virtue of the interface of UMAT. Based on this model, series of numerical analysis are investigated to determine the ultimate bearing capacity of bucket foundation under monotonic loading. Then, failure mechanism of foundation is examined through the distribution of plastic strain around the foundation. Keyword: ABAQUS; combined loading; finite element
Application with UMAT of ABAQUS in the analysis of bearing capacity behavior of large-scale ocean construction
Wu Ke1, 2, Fan Qing-lai3, Wang Zhi-yun1, 2
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ABAQUS 用户子程序在分析大型海洋结构物 地基承载力特性中的应用
武科
1, 2
, 范庆来 , 王志云
3
1, 2
(1 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 大连 116024; 2 大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所, 大连 116024; 3 鲁东大学土木工程学院, 山东 烟台 265304)
运行自定义场变量子程序时有两种方法，一是在 CAE 中运行，在 EDIT JOB 菜单的
GENERAL 子菜单的 USER SUBROUTINE FILE 对话框中选择用户子程序所在的文件即可； 另
外是在 ABAQUS COMMAND 中运行，语法如下[1]：
ABAQUS JOB=[JOB] USER=[.FOR] INTERACTIVE
Sl = vt =
式中 pa 为标准大气压力， S l 为应力水平
1 Et − 2 6 Bt
n
(4)
卸载-再加载时的杨氏模量 Eur 可按下式计算
σ3 E ur = K ur p a p a (5)
式中 Kur 为卸荷模量系数。
2 ABAQUS 用户材料子程序简介 用户材料子程序简介
1 DuncanDuncan-Chang 本构模型简介
Duncan 等人最先提出的是 Duncan-Chang 本构模型的 E-v 模式[1]，随后进行了改进，建议 采用变形模量与体积模量参数，成为 E-B 模式[3]。但是该模型不适宜于密砂以及超固结土等剪 胀性较强的土，也不能考虑复杂的应力路径。为了考虑剪胀以及应变软化等情况，栾茂田[4] 等将 Duncan-Chang 非线性应力应变关系与临界状态土力学的稳定强度概念相结合，可以反映 不排水剪切条件下松砂的应变软化特性。由于 Duncan-Chang 模型概念简单，物理意义比较明 确，参数可以通过常规土工试验确定，在土石填筑坝应力与变形分析中得到了广泛应用，且 在长期使用中积累了丰富的经验。 其应力-应变关系采用了切线杨氏模量 Et 与切线体积模量 Bt 来表达土的弹性矩阵[D]t，其 中 Et 和 Bt 分别采用下列各式计算：
(1) 用来定义材料的本构关系； (2) 当材料的定义包含用户自定义材料模型时，每一个计算单元的材料积分点都可以调用 UMAT；
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(3) 可以用于力学行为分析的任何分析过程；
∂∆σ ； ∂∆ε (6) 可以和用户子程序 USDFLD 联合使用，通过 USDFLD 重新定义任何场变量的值并传 递到 UMAT 中[5]。
(C3D20R)建立有限元计算模型， 如图 1 所示。 在算例分析中， 桶体直径与高度分别选为 D=4.0m
与 L=4.0m，高径比为 L/D=1。同时计算范围在横向与竖向分别取为 10D 与 6L。
3.2 有限元分析方法
在采用弹塑性有限元数值计算方法确定极限荷载时，一般通过荷载控制方法或位移控制 方法进行加载。与荷载控制方法相比，位移控制方法往往能较准确地得到基础的荷载－位移 之间关系。当荷载－位移曲线的斜率接近 0 时，意味着在荷载不变的情况下基础位移在持续 地增大，因而可以认为此时地基达到了极限平衡状态。与极限平衡状态相对应的荷载就是地 基的极限承载力[8]。这里采用位移控制法逐步施加位移，确定相应的荷载，由此得到地基的荷 载－位移关系曲线，直到曲线的斜率接近于 0，按照理想塑性流动概念，此时所对应的荷载可 作为桶形基础的极限承载力。其位移作用点在桶体轴线的顶部，如图 2 所示。针对桶形基础，
3 有限元计算模型及分析方法
3.1 有限元计算模型
本文开发了 Duncan-Chang 本构模型的 E-B 模式，将其用于吸力式桶形基础极限承载力特 性的有限元模拟。本文 Duncan-Chang 参数来自于冯卫星等所做的固结排水三轴剪切试验[6]， 根据郑颖人等提供的参数范围[7]，该试验土类属于砂土，其参数值也比较合理，现列于表 1。
(4) 可以使用状态变量；
(5) 对于力学本构关系，必须在 UMAT 中提供材料本构模型的雅可比矩阵，即
ABAQUS 还提供了其他子程序接口，例如：USDFLD(自定义场变量子程序)，UEL(用户
单元子程序 )，UHARD(自定义硬化参量子程序)， FRIC( 自定义摩擦定律子程序 )等等，可见
ABAQUS 提供了丰富子程序接口，从而扩展了它的适用性和应用空间。
表 1 土样参数 Table 1 Parameters of soil Su0/MPa 0.006
φ /˚
44.421
Rf 0.613
K 215.5
n 0.92
Kb 151.01
m 0.075
对于桶形基础桶体结构，采用线弹性本构模型，弹性常数分别取为 E=2.1×105MPa 与 ν = 0.125 。而对于桶形基础桶壁与周围土体接触计算，采用 ABAQUS 中的主动－被动面接触 算法， 选取刚度大的桶体表面为主动面， 土体表面为被动面， 界面滑动摩擦系数取为 µ =0.5(相 当于外摩擦角 26.6°)。按照接触算法，被动面的节点不能侵入主动面，而主动面的节点可以侵 入被动面。当两个面接触在一起且产生相对滑动趋势或者相对滑动时，接触面上的法向接触 应力 p 与剪切摩擦力 τ 服从 Coulomb 摩擦定律。当接触面上的剪应力 τ 小于 Coulomb 极限摩 阻力 µp 时，则不会产生相对滑动而处于黏结状态；当接触面上的剪应力 τ 大于极限摩阻力 µp 时，则产生相对滑动[1]。 根据桶形基础结构的对称性，取半个桶体及地基进行分析，采用 6 面体 20 节点单元
ABAQUS 具有强大的非线性求解能力、 便捷的子程序接口及二次开发功 摘要: 作 摘要: 作为一种大型通用有限元分析软件， 能。对于大型海洋结构物地基承载力性能分析中遇到的大量非线性问题，本文以ABAQUS 有限元软件为平台，利 用用户材料子程序(UMAT)接口添加并开发了Duncan-Chang 本构模型的E-B 模式； 进一步， 针对吸力式桶型基础 在竖向力(V)、 水平力(H)和力矩(M)共同作用下的地基承载力性能进行了三维有限元分析， 探讨了桶型基础在不 同荷载单独作用下的极限承载力，利用极限平衡理论探讨了桶形基础在极限状态时的破坏机理。 关键词: 关键词: ABAQUS; 复合加载; 有限元