基于ANSYS-UPFs的土体常用本构模型二次开发及其在土石坝计算中的应用
组件式GIS二次开发在土石坝安全监测中的应用
西部探矿工程
１３ ３
组 件 式 ＧＩ Ｓ二次 开发在 土 石 坝 安全 监 测 中 的应 用
吴 银 龙
（ 浙江省 第九地 质大 队 ， 浙江 湖州 ３３０ ） １０ ０ 摘 要 ： 件 式地理信 息 系统是 一种 新型 的 系统 ， 用组件 式技 术开发 地理 信 息 系统 已成 为地理信 息 组 利
＊ 收稿 日期 ：０ ００ －１ ２ １－ ７２
作者简介 ： 吴银龙 （ ９ ６ ， 汉族）福建泉州人 ， １ ７一 男（ ） 。 工程师 ， 事地质工程技术工作。 现从
］４ ３
１ 地理 信息 系统 简介
地理信息系１ 独立开 发 ．．
以计算机为核心的信息处理技术是二次世界大战 后科技革命 的主要标志之一。在信息的诸多类型中， 与 空间相关的信息是十分重要 的一类。人类生存 的地球 是一个三维空间 ， 中的万事万 物无不 与空 间位置相 其 关， 如何利用计算机处理与空间相关的信息是地理信息 系统 （ ｅｇａｈｃＩｆｒ ｔ ｎＳ ｓｅ Ｇ Ｓ 产 生 和 发 Ｇ ｏ ｒｐ ｉ ｎｏｍａｉ ｙｔｍ， Ｉ ） ｏ 展的原动力 。Ｇ Ｓ Ｉ 起源于 ２ 世纪 ６ 年代 ， Ｏ ０ 它作为有关 空间数据管理、 空间信息分析及其传播 的计算机系统 ， 在其 ４ Ｏ多年的发展历程中已经取得了很大 的成就 ， 并 广泛应用于土地利用 、 资源管理 、 环境监测、 交通运输 、 城市规划、 经济建设以及政府各职能部门。随着信息技 术 的不断发展 ， 地理信息系统的应用也 向广度和深度发 展 。目前 ， 地理信息系统在理论和应用上都处在一个飞 速 发展 时期 。“ 字地 球 ” 数 概念 的提 出 ， 更进 一步 推动 了 作为其技术支撑 的 Ｇ Ｓ的发展。不管人们将 ２ 世纪 Ｉ １ 称 为 什么世 纪 ， Ｓ的广 泛应 用 、 及 将 成 为 新 世 纪 的 ＧＩ 普 个重 要 的特 征 。今 天 ， 全 球 范 围 内有 数 十 万 ＧＩ 在 Ｓ 从 业人 员 ， 常用 的 ＧＩ 件 已达 ４ ０多种 ， 是 ＧＩ Ｓ软 ０ 但 Ｓ应 用软件专业性 较强 ， 任何软件不可能解决所有专业 问 题， 主流 Ｇ Ｓ 台软件功能全面、 Ｉ平 价格 昂贵 ， 大多普通 用户购买 Ｇ Ｓ软件 仅仅使 用其 中的一部分 功能。以 Ｉ ＧＩ 台 软 件 为 基 础 ， 可 视 化 开 发 语 言 的 组 件 式 Ｓ平 用 （ ｏ ｐ ｎｎｓ技术进行专业功能的二次开发 和业务集 Ｃ ｍ ｏｅ ｔ ） 成 就成 为 ＧＩ Ｓ应用 开发 的主 流 ， Ｃ 即 ＯＭＧＩ ［ 。 Ｓ１ ］
基于ANSYS的二次开发软件在加固工程中的应用
唐名立 福建省建筑设计研究院福建福州
３５００００
摘要混凝土结构加固工程现在并没有成熟的有限元软件可以进行结构受力分析，为了更准确地分析加固 工程中钢筋砼构件的受力情况，本文基于大型有限元软件ＡＮｓＹｓ进行了二次开岩 并将此二次开发软件在工
程中用于分析砼结构的受力性能，由于界面友好极大简化了工程设计人员的学习与使用，极大地提高了工程 设计人员的工作效率。 关键词 ＡＮｓＹＳ；二次开发
接口，使用编程工具对ＡＮｓＹｓ软件进行功能上的完善，使 其更加便于工程人员的使用。 为了便于用户进行二次开发，ＡＮｓＹｓ软件自身提供了 几种专门二次开发技术，能够有效地与ＡＮｓＹｓ进行对接， 如下所示：
建筑与装饰２０１ ６年９期
１２ｌ
科技信息化 基于ＡＮｓＹｓ通用有限元软件，本文专门开发了关于钢 筋混凝土构件结构加固受力分析的有限元系． 程序主要分成两大功能，一是以ＡＮｓＹＳ程序接口为基 础的Ｖｃ／ｖＢ二次开发程序功能模块；二是钢筋砼结构构件 受力分析建模及计算单元模块。 程序系统主要由以下三大模块组成，一是利用ｖｉｓｕａｌ
Ｂａｓｉｃ程序语言的设计的用户交互界面；二是预
先设定的专门针对钢筋混凝土加固构件有限元分析的ＡＰＤＬ 参数化程序文件；三是利用ｖｉｓｕａｌ
Ｃ＋＋，ｖｉｓｕａｌ
Ｂａｓｉｃ程序语
言设计的基于ＡＮｓＹｓ后处理器的二次数据处理程序。 按照ＡＮＳＹｓ的有限元分析过程，系统的主要任务就 是，建立完整的三维有限元模型，生成ＡＰＤＬ参数化文件， 导入ＡＮＳＹＳ进行分析处理，最后将ＡＮＳＹｓ的计算结果进行 二次处理然后输出给用户。根据以上要求，程序主要包括 以下四个功能模块： （１）启动交互式界面； （２）计算模型参数化建模； （３）预应力ＦＲＰ筋混凝土梁导入ＡＮｓＹＳ进行有限元计 算； （４）后处理结果数据及图形显示。 １．２程序功能模块设计 基于程序功能的实现和程序系统的设计过程，将程序 划分为三个模块：前处理、中心计算和后处理，各模块关 系如图２．１所示： 本文的ｗＦＰＰ程序系统的功能实现主要分成三大系统模 块，分别是前处理（包括交互界面和ＡＰＤＬ参数化文件）、 中心计算（包括ＡＮｓＹｓ计算和ＡＮｓＹｓ后处理）和二次后处 理，其相互之间的组织调用层次结构如下图２．１所示：
高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究
第 55 卷第 1 期2024 年 1 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.1Jan. 2024高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究程瑞林1, 2，汪泾周1，范钦煜1，湛正刚2，周伟1, 3，马刚1, 3(1. 武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉，430072；2. 中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳，550081；3. 武汉大学 水工程科学研究院，湖北 武汉，430072)摘要：为研究不同材料本构模型对高心墙堆石坝应力、变形计算的适用性，以RM 300 m 级高心墙堆石坝堆石料的室内试验成果为基础，分别对邓肯E-B 模型、沈珠江双屈服面模型及MPZG 模型进行材料本构验证和坝体有限元分析。
研究结果表明：3种模型均能较好地表现堆石料三轴路径下的应力响应，而邓肯E-B 模型在低围压下体积响应表现效果欠佳；3种模型计算的坝体应力、变形分布均符合一般规律，应力相近，但变形计算中邓肯E-B 模型得到的沉降与顺河向位移均较大；在高心墙堆石坝建设初期，可采用邓肯E-B 模型进行早期分析，后期宜采用沈珠江双屈服面模型、MPZG 模型等进行决策评价。
关键词：应力；变形；本构模型；心墙堆石坝；有限元分析；广义塑性模型中图分类号：TV311 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2024）01-0219-11Study on applicability of material constitutive model calculationfor high core wall rockfill damCHENG Ruilin 1, 2, WANG Jingzhou 1, FAN Qinyu 1, ZHAN Zhenggang 2, ZHOU Wei 1, 3, MA Gang 1, 3(1. State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management, Wuhan University,Wuhan 430072, China;2. Power China Corporation Guiyang Survey, Design and Research Institute Co. Ltd., Guiyang 550081, China;3. Institute of Water Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)Abstract: In order to study the applicability of different material constitutive models to the calculation of stress and deformation of high core rockfill dam, the material constitutive verification and the finite element analysis ofthe dam body of Duncan E-B model, Shen Zhujiang double yield surface model and MPZG model were carried收稿日期： 2023 −02 −20； 修回日期： 2023 −04 −16基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2022YFC3005505)；国家自然科学基金资助项目(52179141)；大学生创新创业训练项目(202110486038) (Project(2022YFC3005505) supported by the National Key R&D Program of China; Project (52179141) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(202110486038) supported by Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students)通信作者：周伟，博士，教授，从事高坝结构数值仿真研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.018引用格式： 程瑞林, 汪泾周, 范钦煜, 等.高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 219−229.Citation: CHENG Ruilin, WANG Jingzhou, FAN Qinyu, et al. Study on applicability of material constitutive model calculation for high core wall rockfill dam[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 219−229.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)out based on the laboratory test results of the rockfill material of RM 300 m grade high core rockfill dam. The results show that all the three models can better perform the stress response under the triaxial path of rockfill, while Duncan E-B model has poor performance in volume response under low confining pressure. The stress and deformation distribution of the dam body calculated by the three models are in accordance with the general law, and the stress is similar, but the settlement and along-river displacement obtained by Duncan E-B model are both larger. It is suggested that Duncan E-B model should be used for early analysis in the early stage of high core rockfill dam construction, and that Shen Zhujiang double yield surface model and MPZG model should be used for decision evaluation in the later stage.Key words: stress; deformation; constitutive model; core wall rockfill dam; finite element analysis; generalized plastic model近年来，随着堆石坝设计理论的发展与高坝填筑技术的革新，我国高堆石坝的建设水平逐渐从200 m级上升到300 m级。
基于ABAQUS 的某土石坝应力应变计算分析
1引言改革开放以来，我国土石坝的发展如雨后春笋，土石坝施工已经从坝高200m级向300m级跨越。
随着邓肯张模型、南水双屈服面模型、沈珠江模型等土体本构模型的研究深入和有限元仿真软件（如ABAQUS、ANSYS、ANDIA）的开发，为土石坝的建造创造了坚实的理论基础[1]。
近些年，国内学者针对土石坝的开展了大量的研究：陈平川等[2]研究了坝体优化设计与渗流分析，刘倬昀等[3]土石坝的坝料分区优化进行了研究，赵通阳[4]分析了垫层厚度对混凝土面板的影响，顾淦臣等[5]对面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形进行了研究，丁琳琳[6]对深埋覆层上土石坝进行分析研究，廖敏[7]对堆石坝的材料分区进行了研究。
以上研究大都均是采用有限元软件对土石坝的应力应变进行分析，取得了较好的研究成果，具有重要的实践意义。
本文基于以上研究，采用ABAQUS软件采用Duncan E-B模型对某土石坝进行应力应变分析。
2理论公式土石坝坝壳料具有非线性，需要与之适应的本构模型进行模拟。
例如，Duncan E-模型、Duncan E-B模型、清华K-G 模型，南水双曲线模型等均能良好的模拟坝体变形，目前应用最多的是Duncan E-B模型[8]，故本文二次开发Duncan E-B模型，对某土石坝进行模拟。
Duncan E-B模型是在E-v模型进行了一定的完善，E-v模型中的切线泊松比v t被切线体模量B t代替并进行计算，表达式如下：B t=ΔσmΔEV=13Δσ1ΔEV=K b P aσ3Pa()m(1)式中，σ为应力，P a为大气压强，K b和m为常数，无量纲。
3应力应变分析本文选取廖敏和赵通阳案例中计算的均质堆石坝进行模拟，模拟过程中坝体采用分级填筑。
堆石坝的最大坝高100m，坝宽8m，正常水深假设为90m，上游和下游坡角为30°，堆石料的密度为2000Kg/m3，坝体横断面可参考文献，本文不再赘述，坝体材料计算参数如表1所示。
Duncan-Chang模型在ABAQUS中的二次开发及验证的开题报告
Duncan-Chang模型在ABAQUS中的二次开发及验证的开题报告题目：Duncan-Chang模型在ABAQUS中的二次开发及验证一、研究背景和意义：Duncan-Chang模型是一种用于计算土壤-结构交互作用的理论模型，能够有效地模拟土壤的非线性行为和结构的振动响应。
该模型是建立在弹塑性理论的基础之上，将理论力学、土力学和结构力学有机地结合起来，能够较为准确地描述土壤和结构的非线性行为。
因此，在仿真和模拟土壤-结构交互作用时，Duncan-Chang模型被广泛应用，具有重要的理论和实际意义。
在ABAQUS中，Duncan-Chang模型也是一个常用的模型之一，但是原生的ABAQUS只支持该模型的部分功能，不足以满足不同场景下的需求，因此需要进行二次开发，以实现更多的功能和优化。
二、研究内容和方法：本研究主要对Duncan-Chang模型在ABAQUS中的二次开发进行探究和研究，具体包括以下几个方面：1. 分析Duncan-Chang模型原理和ABAQUS实现的不足，确定开发需求和目标。
2. 使用Python语言进行ABAQUS的二次开发，实现Duncan-Chang 模型的更多功能和优化，包括受力分析、变形分析和应力分析等。
3. 针对不同场景下的问题，进行数据仿真和处理，并对结果进行评估和优化。
4. 对开发结果进行验证和测试，确保其正确性和有效性。
三、预期成果及意义：本研究的预期成果主要包括以下几个方面：1. 实现Duncan-Chang模型在ABAQUS中的更多功能和优化，在不同场景下提供更准确、更可靠的仿真和模拟结果。
2. 对Duncan-Chang模型在ABAQUS中的优化提供参考，并为后续研究提供基础和支持。
3. 在理论和实际应用上，进一步推进土壤-结构交互作用的研究和发展，为工程实践提供支持和指导。
本研究的意义在于，提高应用软件的功能和性能，为从事相关领域的研究人员和工程师提供更多的工具和资源，加速科学技术的发展，推进土壤-结构交互作用的研究和实践。
ANSYS土木工程经典实例命令流大全
ANSYS土木工程经典实例命令流大全ANSYS是目前最为领先的工程仿真软件之一，广泛应用于土木工程领域。
本文将介绍一些ANSYS土木工程的经典实例以及相关的命令流，帮助工程师更好地应用该软件进行仿真分析。
1. 桥梁结构分析实例实例简介一座桥梁由多个零部件组成，包括桥墩、桥面、桥拱等。
如何分析这些零部件的受力情况，以便于对桥梁结构进行优化和改进呢？ANSYS提供了一系列的分析工具和命令流，可以帮助我们完成这项任务。
命令流详解首先需要创建一个桥梁模型，并进行网格划分。
然后利用ANSYS的各种分析工具进行仿真分析，得到桥梁各个零部件的受力情况。
在此基础上，可以进行结构优化，最终得到一个强度和稳定性都较好的桥梁结构。
以下是桥梁结构分析实例的一些关键命令流：•创建单元网格：ET, SOLID186•定义材料属性：MP, EX, NU, DENS•定义边界条件：*BOUNDARY，MP，SYM，FIX•加载边界条件：DLOAD，TYPE，P，_LOC•计算位移和应力分布：*POST1，DISPL，NF，S2. 地基基础分析实例实例简介地基基础是土木工程中的重要组成部分，承载着整个工程的重量。
如何对地基基础的承载力进行分析和计算呢？ANSYS也提供了相应的分析工具和命令流，帮助土木工程师完成这项任务。
命令流详解首先需要建立地基基础的三维模型，并进行网格划分。
然后利用ANSYS的各种分析工具进行仿真分析，计算地基基础承载力、变形等相关指标。
在此基础上，可以进行结构优化，最终得到一个承载能力和稳定性都较好的地基基础。
以下是地基基础分析实例的一些关键命令流：•创建单元网格：ET, SOLID186•定义材料属性：MP, EX, NU, DENS•定义边界条件：*BOUNDARY，MP，SYM，FIX•加载边界条件：DLOAD，TYPE，P，_LOC•计算应力分布和变形：*POST1，S，EPTO，ETA3. 挖土工程分析实例实例简介挖土工程是土木工程中的重要环节，需要对不同参数下的挖土工程进行分析和优化。
ansys二次开发的一些知识介绍
ansys二次开发的一些知识介绍ANSYS程序的二次开发标准ANSYS程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序，同时它还具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准ANSYS 版本上进行功能扩充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的ANSYS程序。
开发功能包括四个组成部分：参数化程序设计语言(APDL)用户界面设计语言(UIDL)用户程序特性(UPFs)ANSYS数据接口参数化程序设计语言(APDL)参数化程序设计语言实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。
其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制(循环与分支)、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。
标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。
从ANSYS命令的功能上讲，它们分别对应ANSYS 分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行求解和后处理计算结果等指令。
用户可以利用程序设计语言将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD 模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。
宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是参数化的用户小程序，可以当作ANSYS的命令处理，可以有输入参数或没有输入参数。
缩写是某条命令或宏的替代名称，它与被替代命令或宏存在一一对应的关系，在ANSYS中二者是完全等同的，但缩写更符合用户习惯，更易于记忆，减少敲击键盘的次数。
ANSYS工具条就是一个很好的缩写例子。
用户界面设计语言(UIDL)标准ANSYS交互图形界面可以驱动ANSYS命令，提供命令的各类输入参数接口和控制开关，用户在图形驱动的级别上进行有限元分析，整个过程变得直观轻松。
ABAQUS二次开发Duncan-Chang模型在粗粒料三轴试验中的应用
3.粗粒料三轴实验
粗粒料通常是指块石、碎石(或砾卵石)、石屑、石粉等粗颗粒组成的无粘性
2
混合料，或是粘性土中含有大量粗颗粒的混合土。《土工试验规程》（SL237－
含量(％)
46.2
38.4 15.4
试样直径 101mm，高度 200mm，采用击实制样，控制干密度取 ρ = 1.9g / cm3 。
进行 3 组常规三轴试验，围压分别为 200kPa、500kPa、800kPa，采用固结排水
剪，剪切速率取 0.001mm/s，固结和剪切过程均按《土工试验方法标准》（GB/T
Duncan-Chang 模型是目前岩土工程方面运用十分广泛的岩土体本构模型， 其能够很好地反映土体非线性变形特征。其参数具有比较明确的物理意义，可教 容易由常规三轴试验得到。本文将用 2 次开发邓肯—张模型来模拟高围压三轴排 水实验。
2. Duncan-Chang 模型
1970 年Duncan、Chang提出了邓肯E-V双曲线非线性弹性模型，该模型属于 变弹性模型，其理论基础是基于广义虎克定律基础上的增量线弹性模型，这种模 型假定：土体变形虽然是弹性的，但是在微小变形时，变形可以看作是线性的， 并且服从增量线性的各向同性广义虎克定律。其基本假设依然保留了弹性理论中
的斜率或截距得到。在拟合过程中，得到的参数是综合 3 组试验数据的结果，所
4
以高围压 0.8MPa 下模拟的曲线大部分在试验曲线以下，而围压 0.2MPa、0.5MPa 的情况下模拟曲线大部分在试验曲线以上。如果试验的过程严格安照规范的规 定，操作过程在没有失误的情况下，排除了人为因素，一定能得到很好的模拟效 果。
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基于ANSYS-UPFs的土体常用本构模型二次开发及其在土石坝计
算中的应用
材料本构模型是用来描述材料力学行为的数学关系式,具体为关于应力-应变-时间-强度的函数。
作为天然矿物材料,土在构造及组成上呈现较复杂的的非连续性、非均质性和随机性,对其本构关系有较大影响的因素众多。
对于岩土工程数值计算和分析,一方面要寻求一个物理形式简单、参数易于获取的土体本构模型,另一方面也要借助一个具有优秀的前后处理功能、高效的求解算法及强大的可开发性的软件平台。
通过总结学者们多年的研究成果和实践经验,本文确立了以常用的邓肯张模型和等效线性模型作为理论基础和以ANSYS 软件作为平台支撑的整体框架,并围绕此框架开展了如下的工作:(1)基于邓肯张模型的基本形式和相关物理参数的求取方法作了相应改进,使其能够考虑土体抗拉强度的影响以适应土体非三向受压的工况,及反映更接近真实的土体卸载-再加载曲线特征以适应应力路径较为复杂的工况。
然后结合弹性增量本构关系和改进后的邓肯张模型的特点,设计了用户子程序的编制思路,并对编制过程中的重要细节进行了说明。
(2)基于常规三轴压缩试验的特点建立了相应的有限元模型和分析框架,设计了多种验证工况,并通过模拟土体试样的加载-卸载-再加载过程及反映围压变化带来的影响,以验证二次开发的邓肯张模型的可靠性。
另外,也设计了一个按照Mohr-Coulomb强度准则计算的工况做进一步的比较,对两者在计算结果上差异作了详细的分析和说明。
(3)基于土的动应力-应变关系的基本特点及土的黏弹性线性动力模型的相关理论,对岩土工程动力计算中常用的等效线性黏弹性模型进行二次开发,并重点介绍了模型的一般形式、等效
参数G和D的确定方法、增量本构关系的推导过程及用户子程序的编制思路和重要细节。
(4)基于循环单剪试验的特点建立了相应的有限元模型和分析框架,分别设计了在简谐切向应力作用下和在简谐切向位移作用下的验证工况,以直观得反映在循环周期荷载作用下土体变形的非线性和滞后性,从而验证二次开发的等效线性模型的可靠性。
(5)在二次开发的邓肯张模型和等效线性模型的验证基础上,将其应用于土石坝的静、动力计算中,包括施工过程仿真、蓄水状态分析和地震时程分析,以论证二次开发的邓肯张模型和等效线性模型子程序应用于实际的土石坝计算中的可行性。