ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬

2017-04-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、試驗(yàn)樁概況及擬實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格效果

本次將對文獻(xiàn)Uplift behaviour of helical anchors in clay(WANG,D)中的試驗(yàn)螺旋樁C1進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其尺寸如下:桿軸長9.85m,直徑0.4m,有三個螺旋板,直徑均為2.4m,從頂?shù)降茁菪咫x地表的距離分別為2.65m、6.25m、9.85m,螺旋板間距3.6米,板間距與直徑比為1.5。土體為勻質(zhì)高嶺土,其抗剪強(qiáng)度隨深度遞增,重塑土強(qiáng)度變化規(guī)律為Su=16+0.95z。網(wǎng)格劃分時,在螺旋樁螺旋板半徑范圍內(nèi)的土體尺寸較密,遠(yuǎn)離樁體的邊界附近土體較疏,中間逐漸增大,效果如下:

ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬ansys結(jié)構(gòu)分析圖片1

二、螺旋樁的數(shù)值模型描述

1、單元類型及邊界條件

土體單元為低階四節(jié)點(diǎn)四面體單位SOLID285。

2、材料參數(shù)

土體:1/4圓柱體,泊松比為0.49,飽和不排水條件下,不可壓縮材料,理想彈塑性本構(gòu)(遵循Mises屈服準(zhǔn)則,原文本為Tresca,ANSYS中無該準(zhǔn)則),ANSYS中僅需輸入彈性模量和屈服應(yīng)力即可。為了簡化分析,本文不考慮土體抗剪強(qiáng)度隨深度的變化,近似為常量,取地表與地下10米深之間土體的平均抗剪強(qiáng)度值Su=20.75Kpa,彈性模量為500Su=10375Kpa,Mises屈服應(yīng)力為23.96 Kpa(Mises剪切屈服應(yīng)力為拉伸屈服應(yīng)力k的0.577倍,而k可由Tresca的剪切屈服強(qiáng)度得出)。

剛性鋼材:剛度無窮大。(參考文獻(xiàn)8a separate analytical rigid surface、文獻(xiàn)11a discrete rigid body)。

3、接觸界面特性

不考慮桿軸與土體之間的摩阻力;僅考慮螺旋板與土體之間的接觸滑移;螺旋板頂部與土的接觸:均建立接觸單元,法向抗壓剛度無窮大,抗拉剛度為0,切向最大抗剪強(qiáng)度為t=aCu ,參數(shù)a取論文5中的0.5(Radolph P251),則最大抗剪強(qiáng)度為0.5*20.75=10.375 Kpa(論文5中Cu即為不排水抗剪強(qiáng)度p16)。ANSYS中接觸單元需輸入摩擦系數(shù),暫取0.2(關(guān)于鋼材與粘土的摩擦系數(shù)后續(xù)再確定);螺旋板底部與土的接觸:除了底部螺旋板與土體為脫離模式,其他螺旋板與土體為粘結(jié)模式。脫離模式中的接觸界面參數(shù)同螺旋板頂

三、操作步驟

!主要特點(diǎn)是:使用智能技術(shù)對幾何體進(jìn)行原始網(wǎng)格劃分。沒有使用局部網(wǎng)格加密(REMESH),為了節(jié)省計算資源,彈性材料,MU=0;(文件名為WANG D-c1 20151006.txt),各個不同的接觸對可以使用相同的單元類型,只要實(shí)常數(shù)R不同即可。
(由于字?jǐn)?shù)限制,此處省略了命令流)

四、計算結(jié)果

1、螺旋樁的向上抗拔位移圖

ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬ansys workbanch圖片2

2、關(guān)于模型的幾點(diǎn)說明

ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬ansys workbanch圖片3

1)樁頂作用的最大位移為600mm,但僅進(jìn)行到60mm就不收斂了,原因是螺旋板側(cè)板的土體單元因剪切而變形過大,程序警告如下:

*** ERROR *** CP = 201.578 TIME= 08:58:23
Element 14832(圖片如下)

單元14732的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如下,該單元位緊鄰最底部螺旋板的側(cè)面。

NODE X Y Z THXY THYZ THZX
2749 180.03 1190.1 -9919.0 0.00 0.00 0.00
2750 72.074 1200.7 -9918.7 0.00 0.00 0.00
2785 63.086 1202.1 -9900.1 0.00 0.00 0.00
3268 97.890 1279.4 -9913.9 0.00 0.00 0.00

2)上面的彈性模型是可以計算的,但其他條件不變,僅將土體材料改為彈塑性,計算就連第一步都不能收斂了;

MP,EX,1,10.375 !soil material properties
MP,NUXY,1,0.49 !poisson's ratio
TB,BISO,1,1 !bilinear isotropic material
TBDATA,1,0.024 !yield stress in MPa
TBDATA,2,0.01 !tangent modulus in MPa

3)在SOLVE之前,一定要認(rèn)真檢查模型是否正確,檢查內(nèi)容包括:接觸對方向和網(wǎng)格劃分質(zhì)量,如下:

ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬ansys workbanch圖片4

ANSYS對螺旋樁的3D抗拔試驗(yàn)數(shù)值模擬ansys結(jié)果圖片5

注:在求解前,進(jìn)行上述網(wǎng)格檢查沒有畸形單元警告,但求解完以后再檢查,發(fā)現(xiàn)有上圖的單元警告了。

4)模型尚需改善的地方:

第一點(diǎn),本模型沒有考慮土層的初始地應(yīng)力,按常規(guī)的模擬方法是可以實(shí)現(xiàn)的(可參考本博客相關(guān)博文),但為了節(jié)省計算機(jī)資源,有些文獻(xiàn)將螺旋樁內(nèi)部鋼構(gòu)件視為剛體,在ANSYS中可以將3D鋼構(gòu)件設(shè)為剛體(如何設(shè)置可參考本博客其他博文),但3D剛體能否正確模擬初始地應(yīng)力有待進(jìn)一步研究。

模擬初始地應(yīng)力的初步方法是:不需對視為剛體的螺旋樁內(nèi)部鋼構(gòu)件進(jìn)行3D實(shí)體單元劃分,僅通過其側(cè)面的TARGET接觸節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)剛體的整體位移效果,整體模型分為兩個荷載步,第一為自重作用計算,在螺旋樁內(nèi)部鋼構(gòu)件的同一位置建立實(shí)體3D土體單元參與重力計算,在第二個外部荷載步計算時,將之前的土體單元?dú)⑺?導(dǎo)入初始地應(yīng)力文件,即可。

第二點(diǎn),螺旋樁模型由于材料非線性(彈塑性)、幾何非線性(大應(yīng)變和網(wǎng)格自適應(yīng)劃分)及狀態(tài)非線性(接觸)等特點(diǎn),導(dǎo)致3D模型消耗大量的計算資源,分析效率極其低效。如何讓3D彈塑性模型能夠順利計算下去且不發(fā)散,還需在高性能計算站進(jìn)一步開展。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才