地基沉降下管道的有限元應(yīng)力分析

2017-08-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

前段時(shí)間幫朋友看了一個(gè)分析,想想雖然是很基礎(chǔ)的靜力分析,但是卻挺有意思的,因此準(zhǔn)備小小的總結(jié)一下,希望對(duì)有需要的伙伴提供幫助。論文的模型是參考期刊-《Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement》中的分析模型,因此想對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行更加細(xì)致的研究的伙伴,可以參照此文。

①分析背景

石油、天然氣管道多為埋地,而土壤常常又受到酸雨、地震等外界因素的影響導(dǎo)致塌陷,因此對(duì)埋地管道進(jìn)行土壤塌陷情況下的應(yīng)力變形分析以合理的設(shè)計(jì)管道的結(jié)構(gòu)以及安裝具有指導(dǎo)意義。

②實(shí)際模型

如上所示,土體尺寸為長(zhǎng)*寬*高:10m*3m*1.8m,管道外徑:110mm,厚度:10mm。其中土體有一半從上表面開(kāi)始坍塌,坍塌深度為0.5m,試分析管道的應(yīng)力及變形情況。

③注意事項(xiàng)

①由于分析模型具有對(duì)稱(chēng)性,因此這里只用建立一半模型即可。

②管道相對(duì)于整體來(lái)說(shuō)過(guò)薄,因此使用殼體分析以節(jié)約計(jì)算量。

③邊界的設(shè)定主要基于圣維南定理,忽略遠(yuǎn)處土體的影響,因此大部分邊界采用固定約束(具體加載見(jiàn)后)。

④幾何模型

三維模型的建立在任意三維建模軟件中進(jìn)行,推薦使用solidworks(上手快,適用于新手)。其中土體采用實(shí)體進(jìn)行建模,尺寸如上,內(nèi)部挖去安裝管道位置。管道由于后續(xù)使用殼體建模,因此這里只用建模出管道中面,中面直徑為100mm。其次,為了方便網(wǎng)格劃分,避免ansys中進(jìn)行繁瑣的切分,因此這里在三維建模軟件中進(jìn)行切分即可,切分好之后的模型如下:

⑤分析模型的建立

A.模型導(dǎo)入

將上述建立的三維模型另存為x_t格式文件,通過(guò)ansys窗口的file-import導(dǎo)入所有實(shí)體(包括實(shí)體以及面),并更改顯示方式為normal。需要注意的是,由于x_t默認(rèn)是使用m作為建模單位導(dǎo)入,為了方便后續(xù)劃分網(wǎng)格和數(shù)據(jù)處理,這里統(tǒng)一使用mm,t,s單位制,因此導(dǎo)入的模型還需要進(jìn)行放大處理,使用pre7-modeling-operate-scale對(duì)土體以及管道進(jìn)行放大1000倍,得到mm單位制下的幾何模型。然后使用布爾操作glue將實(shí)體與實(shí)體,面與面進(jìn)行邊界共用,以便后續(xù)網(wǎng)格劃分。

B.單元選擇

土體部分使用實(shí)體單元建模,使用ansys現(xiàn)在推薦的單元solid185,管道使用殼體單元建模,使用推薦單元shell181,在section選擇類(lèi)型為shel,定義厚度為10mm。

C.材料屬性設(shè)定

根據(jù)論文所述,PE管道采用理想彈塑性本構(gòu)模型,參數(shù)如下:

土體采用Drucker-Drager材料本構(gòu),該材料模型能夠較好的模擬土體的力學(xué)性能,參數(shù)如下:

D.接觸設(shè)置

這部分接觸設(shè)置比較簡(jiǎn)單,利用接觸向?qū)гO(shè)置土體與管道的接觸對(duì)即可,摩擦系數(shù)為0.15,管道設(shè)置為目標(biāo)面,土體設(shè)置為接觸面,注意調(diào)整接觸對(duì)的法相方向并且考慮殼體的厚度(這里十分關(guān)鍵,否則無(wú)法設(shè)別實(shí)體與殼體的接觸對(duì))。設(shè)置好后的接觸對(duì)如下:

E.網(wǎng)格劃分

分配好屬性之后,由于前面模型已經(jīng)劃分好了,因此網(wǎng)格只需定義一些邊界的特殊尺寸就可以得到比較好的網(wǎng)格模型。這里將管道界面劃分為16分,靠近管道的土體劃分的尺寸小一些,之外部分尺寸適當(dāng)大一點(diǎn),得到如下有限元模型:

F.邊界以及加載

根據(jù)前面所述,這里對(duì)土體前半部分上表面施加向下的位移約束0.5m,土體另一端和靠近約束端底面施加全固定約束,其余表面均施加x與z方向的位移約束,未施加強(qiáng)制性位移約束的上表面施加自由,中間平面施加對(duì)稱(chēng)性約束,管道的約束施加與土體相同。這里可以參照論文中所述:

G.分析設(shè)置

靜態(tài)分析,打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān),初始時(shí)間步設(shè)為100步,打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間不長(zhǎng),輸出每一子部。(快成順口溜了)

⑥后處理

分析完成后得到如下分析結(jié)果:

總位移云圖

米塞斯應(yīng)力云圖

管道米塞斯應(yīng)力云圖

當(dāng)然,根據(jù)需求也可以提取相應(yīng)的云圖以及應(yīng)力曲線,這里就不做過(guò)多說(shuō)明。當(dāng)然想得到更為精確地分析結(jié)果,除了網(wǎng)格外,幾何模型,邊界條件也要作出更加貼近的簡(jiǎn)化,這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單的流程。

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