Abaqus在地下及橋梁工程中的應(yīng)用

Abaqus是一款專門從事非線性有限元力學(xué)分析的軟件，具有如下特點(diǎn)：

1. 流行的CAD軟件建模方式，通過布爾運(yùn)算、拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、鏡像、倒角等多種手段，建立真實(shí)反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何模型
2. 提供與多種CAD數(shù)據(jù)相整合的專用數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)無縫的幾何模型傳遞。包括：CATIA、UG、Pro/E、IDEAS、Solidworks、Solidedge、Inventor、MDT等。此外還可讀取SAT、STEP、ParaSolid、IGES、DXF等格式的圖形標(biāo)準(zhǔn)文件
3. 采用參數(shù)化建模方法，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、結(jié)構(gòu)修改提供有力工具
4. 強(qiáng)大的模型管理和載荷管理手段，為多任務(wù)、多工況實(shí)際工程問題的建模和仿真提供方便
5. 鑒于接觸問題在實(shí)際工程中的普遍性，單獨(dú)設(shè)置Interaction模塊，精確模擬工程中的多種接觸和連接問題，并進(jìn)行從零件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的分析
6. 具有很強(qiáng)的開放性，可結(jié)合Python語言定制用戶化界面，方便用戶操作

求解器性能

Abaqus在求解非線性問題時(shí)具有明顯優(yōu)勢，其非線性涵蓋材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等多個(gè)方面。在解決不同問題可分為2種求解器。

1 Abaqus/Standard（隱式求解器）

Abaqus/Standard是一個(gè)通用分析模塊，可求解廣泛的線性和非線性問題，包括結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱和電響應(yīng)等。對(duì)于通常同時(shí)發(fā)生作用的幾何、材料和接觸非線性采用自動(dòng)控制技術(shù)處理。得益于Abaqus擁有的CAE工業(yè)領(lǐng)域最廣泛的材料模型，可模擬絕大部分工程材料的線性和非線性行為，且任一種材料均可和任一種單元或復(fù)合材料層一起用于任何合適的分析類型。

2 Abaqus/Explicit（顯示求解器）

Abaqus/Explicit是利用對(duì)事件變化的顯示積分求解動(dòng)態(tài)有限元方程。該模塊適合于分析如沖擊和爆炸這樣短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)事件，對(duì)高度非線性問題也非常有效，包括模擬加工成形過程中改變接觸條件的問題。

Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit間的數(shù)據(jù)傳遞非常方便，可以很容易地考慮靜力和動(dòng)力相結(jié)合的分析計(jì)算情況。Abaqus軟件的求解器是智能化的求解器，可解決其他軟件不收斂的非線性問題。而其他軟件也收斂的非線性問題，Abaqus 軟件的計(jì)算收斂速度較快，并更加容易操作和使用。

典型應(yīng)用

• 靜態(tài)應(yīng)力/位移分析：速率相關(guān)或速率無關(guān)響應(yīng)，屈曲分析等

車防護(hù)罩墊圈密封性分析

線性動(dòng)力學(xué)：頻率提取、模態(tài)疊加、諧波激勵(lì)、譜響應(yīng)分析、隨機(jī)載荷等。（非線性動(dòng)力學(xué)用顯示積分方法）

輪胎的諧波激勵(lì)

多物理場（耦合場）：熱力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析、線性電勢分析、熱電分析、熱電結(jié)構(gòu)分析、細(xì)孔流動(dòng)變形分析、流體結(jié)構(gòu)耦合、通過Co-Simulation Engine（CSE）耦合第三方求解器等

排氣管的熱應(yīng)力分析

模擬高速動(dòng)力學(xué)問題，如跌落、汽車碰撞、導(dǎo)彈沖擊等。也能有效地解決準(zhǔn)靜態(tài)問題，如金屬成型仿真，用多分析步來模擬成型的退火過程等

蜂窩鋁的撞擊模擬

多物理場分析：熱力學(xué)分析、完全耦合（熱響應(yīng)和力學(xué)響應(yīng)都用顯示算法）、可包含隔熱傳遞影響、結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析、流固耦合、通過Co-SimulationEngine (CSE)耦合第三方求解器等

兩種狀態(tài)分析（溫度云圖）

其他類型分析：熱傳導(dǎo)、聲學(xué)、質(zhì)量擴(kuò)散、穩(wěn)態(tài)傳輸、電勢分析、靜磁分析等

輪胎的穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)

今天主要介紹Abaqus在地下工程和橋梁工程中的應(yīng)用

地下工程

地下工程及深基礎(chǔ)工程的建設(shè)安全與質(zhì)量、施工環(huán)境保護(hù)，是建設(shè)者應(yīng)優(yōu)先考慮的問題。巖土介質(zhì)本身非常復(fù)雜，如巖土的結(jié)構(gòu)、孔隙、密度、荷載特征、孔隙水及時(shí)間效應(yīng)等。

Abaqus可很好地模擬巖土的力學(xué)性能及對(duì)巖土工程的各個(gè)方面進(jìn)行模擬，包括非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、瞬態(tài)固結(jié)、穩(wěn)態(tài)流變、井點(diǎn)降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應(yīng)力-變形與穩(wěn)定性、邊坡應(yīng)力及穩(wěn)定性、邊坡和硐室錨固效應(yīng)分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、 預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐、隧道加強(qiáng)筋等鋼結(jié)構(gòu)與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過程模擬。

隧道開挖問題

工程結(jié)構(gòu)總是按照一定的操作順序施工的，控制條件不一定是施工結(jié)束時(shí)，而往往在施工過程中。巖土工程分析要?jiǎng)討B(tài)地模擬施工過程中結(jié)構(gòu)形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性，只能用計(jì)算過程的模擬才能體現(xiàn)出來，也就是說巖土工程分析應(yīng)當(dāng)是一種動(dòng)態(tài)的過程分析，只有進(jìn)行過程分析，其結(jié)果才是合理的。

非飽和膨脹土的開挖問題

巖土工程分析往往涉及到固體介質(zhì)和流體的相互作用，所以要引入有效應(yīng)力來更明確地描述固體骨架的受力狀態(tài)。由于將固體骨架與孔隙流體的滲透同步考慮，不僅需滿足平衡方程，物理方程和幾何方程，還需考慮有效應(yīng)力原理和連續(xù)方程，必要時(shí)進(jìn)行考慮滲流場、應(yīng)力場、溫度場、化學(xué)場等多場耦合的分析。

地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶，因此，工程中遇到的土大多數(shù)處于非飽和狀態(tài)，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。非飽和土是固-液-汽三相復(fù)合介質(zhì)，其工程性質(zhì)十分復(fù)雜，是20世紀(jì)90年代以來國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在一系列的工程問題中，涉及有效應(yīng)力、變形、水運(yùn)動(dòng)、堤壩滲流變形、油氣開采、煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流、地基的蒸發(fā)固結(jié)和降雨入滲的滑坡等問題，這些問題一般都必須考慮水、氣兩相流體流動(dòng)和固相變形之間的相互作用。因而，研究非飽和土的流-固耦合問題具有重大理論和實(shí)際意義。

施工過程對(duì)環(huán)境的影響

一般地鐵車站工程具有開挖跨度大、臨時(shí)支護(hù)和工法轉(zhuǎn)換頻繁、時(shí)空效應(yīng)顯著、地質(zhì)條件復(fù)雜、邊界環(huán)境條件限制嚴(yán)格、施工難度和風(fēng)險(xiǎn)極大等特點(diǎn)。地鐵車站建設(shè)中的工程問題具有材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時(shí)空效應(yīng)等特點(diǎn)。

以地鐵車站作為工程背景，研究地鐵車站施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖和近鄰重要環(huán)境對(duì)象（橋基、管線、建筑物等）的力學(xué)響應(yīng)和安全控制，為地鐵車站的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工管理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，為施工安全提供技術(shù)保障和科學(xué)決策。

邊坡穩(wěn)定的剪切帶計(jì)算

應(yīng)變局部化現(xiàn)象在巖土工程中大量存在，最為典型的就是土體失穩(wěn)時(shí)形成的剪切帶。

剪切帶形成的研究對(duì)于評(píng)價(jià)土工結(jié)構(gòu)物的安全性和穩(wěn)定性等問題具有重 要意義。剪切帶現(xiàn)象的本質(zhì)是材料的不穩(wěn)定性，材料不穩(wěn)定研究中的一個(gè)十分重要的問題是多尺度和標(biāo)度律的問題。在材料發(fā)生不穩(wěn)定性時(shí)，不同的物理過程，不同的微－細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在某個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)，將以其特有的動(dòng)力學(xué)行為，在某個(gè)特征尺度上表現(xiàn)自己，它對(duì)計(jì)算力學(xué)構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

降雨入滲條件下非飽和土邊坡分析

地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶。因此，工程中遇到的土大多數(shù)都處于非飽和狀態(tài)，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。

非飽和土是固－液－氣三相復(fù)合介質(zhì)，其物理性質(zhì)較復(fù)雜。降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，需要研究雨水入滲的瞬態(tài)滲流場、土坡變形以及各種邊界條件的影響。分析非飽和流固耦合過程要考慮多因素控制方程，并求出各種邊值問題的解。探討滲流－變形耦合場來研究降雨入滲滑坡，是目前環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程需要展開的工作。

節(jié)理材料的邊坡穩(wěn)定性分析

巖石是一種非常復(fù)雜的材料。其材料屬性不光表現(xiàn)高度非線性，而且由于節(jié)理的存在表現(xiàn)各向異性。Abaqus在巖石方法不光提供了巖石的塑性屬性，而且提供了其節(jié)理屬性。

節(jié)理材料的邊坡穩(wěn)定性分析

橋梁工程

橋梁結(jié)構(gòu)涉及幾何非線性問題，這種非線性是由于大位移、彎矩和軸力之間的相互作用而產(chǎn)生的，任何一個(gè)實(shí)際的工程問題都希望能根據(jù)設(shè)計(jì)方案，從理論上、計(jì)算上以及試驗(yàn)上對(duì)其進(jìn)行校核，將方案做得更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，風(fēng)險(xiǎn)降到更低。

而對(duì)于設(shè)計(jì)之后的分析，用于設(shè)計(jì)的近似方法已經(jīng)不能提供足夠的精確度，我們必須建立準(zhǔn)確的模型，借助計(jì)算機(jī)精確地分析結(jié)構(gòu)。Abaqus在橋梁施工，橋梁動(dòng)/靜力計(jì)算上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如橋梁的應(yīng)力分布、變形情況、自振頻率、振形、地震響應(yīng)特征、失穩(wěn)特征等。