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1、48任艳荣等ABAQUS软件在管土相互作用中的应用2007年8月文章编号:1001-4500(2007)04-0048-04ABAQUS软件在管土相互作用中的应用任艳荣(北京建筑工程学院,北京100044)摘要:利用ABAQUS软件中的主控从属接触算法,使管道和海床形成一个接触对,且建立了管土系统有限单元模型。海床土体分别采用非线性弹性模型、多孔弹性模型、Ramberg-Osgood塑性模型。通过分析计算,得到了管道沉降量与管重间的关系,以及由于管道沉陷而形成的土体楔形。计算结果和有关试验结果相符合,说明采用该软件进行管土
2、相互作用分析是可行的。关键词:管土相互作用;稳定性;ABAQUS软件中图分类号:P756文献标识码:A海底管道作为输送油、气的海上连续构筑物,其地位十分重要,同时海底管道设置在恶劣的海洋环境中,将承受各类环境载荷,其中波浪引起的水动力载荷及在位稳定性最为重要,在位稳定性是海底管线设计中的关键技术之一。管道的稳定性和管道的水下重量、环境载荷和管土相互作用有着重要的关系。为保证管道[1,2]的稳定,海底土壤必须提供足够的阻力以平衡波浪荷载。20世纪80年代以来,国外的许多科研机构采用机械式反复加载的方式对裸置管道的管土相互作用进行深入研
3、究,并提出了管土相互作用模型,如图1所示。管土相互作用属于土与结构的耦合作用问题,同时也属于接触问题。接触问题广泛存在于机械工程、土木工程等领域,如齿轮啮合、坝体接缝[3]等。这类问题的特点是具有单边约束和未知接触区域。接触区域的确定依赖于加载方式、荷载水平、接触面性质等因素,属于边界待定问题。图1冲刷参数示意图在土工分析中,接触问题多是采用接触面单元分析。接触面单元是有限元计算中用以模拟接触面变形的一种特殊单元,采用接触面单元需要预先确定哪些点的位移相等,但这不能精确模拟接触面在变形过程中的实际情况,有一定的缺陷。因此,在管土相互作用中,位于地基基
4、础上的管道,其变形模量成百倍地高于地基土的变形模量。当有载荷作用时,管道与土体交界面上有可能产生剪切滑[4]移,有必要设置相互作用的接触面。本文介绍如何利用ABAQUS软件构建主从接触面来解决问题。1ABAQUS软件1.1软件介绍ABAQUS是面向生产与研究且应用范围广泛的通用有限元计算程序。其主要优点是具有大型的单元库和广泛的求解非线性问题的能力及高效率和高级辅助系统等。例如,对静力情形、动力问题、完全耦合应力问题、孔隙流体流动和多孔介质变形问题,重点都放在自动增量方案上。程序能模拟近海结构(包括波浪荷载)、高弹性体、混凝土结构等。ABAQUS有两个
5、主要的分析模块:ABAQUS/Standard提供了通用的分析能力,如应力和变形、热交换、质量传递等;ABAQUS/Explicit应用对时间进行显示积分的动态模拟,提供了应力/变形分析的能力。并且ABAQUS软件又有许多扩展模块,例如,ABAQUS/AQUA模块扩展了ABAQUS/standard的功能,收稿日期:20070320作者简介:任艳荣(1973-),女,博士,讲师,从事国体力学和海洋工程研究。第22卷第4期中国海洋平台49它的一系列功能可以附加在ABAQUS/sta
6、ndard上应用。其目的是模拟海上结构,例如海洋石油平台、深水下的升降器和管道系统。其中某些功能包括模拟波浪、风载荷及浮力的影响。另外,ABAQUS软件为用户提供接口,允许用户通过自定义的子程序定制ABAQUS,以实现特定的功能。例如,材料的本构模型就是通过umat子程序引进的。在本文中土体的非线性弹性模型(Duncan-Chang模型)也是通过该方法引进。1.2ABAQUS软件的接触算法ABAQUS的接触模拟中,要在模型中的各个构件上建立表面,定出会相互接触的一对表面(称为接触对),采用单纯的主控从属接触算法。为获得模拟的最好结果,选择从属与主控表面
7、,须遵守如下2个原则:从属表面应是网格划分得更精细的表面;若网格密度相近似,从属表面应由更为柔软的材料组成。基于这样的原则,在计算分析中,为使结果便于收敛,管道下半部作为主接触面,海床的上半部取两个管径的宽度作为从接触面,从而形成一个接触对,如图2所示。2管土有限元模型2.1有限单元模型的建立由于海床地基土体是一个半无限空间体,计算中只能截图2接触面图取一定的范围,参考已有的研究结果,并通过大量的计算比较,按照下述原则确定有限元计算模型的范围:海床的水平方向为管径的20倍,垂直方向为管径的10倍。进行计算时,单元网格划分得越密,计算误差就越小,但
8、计算时间越长,计算量也就越大。基于以上的原则,在靠近管道的土体单元
