ABAQUS有限元分析软件中Duncan-Chang模型的二次开发

以ABAQUS用户子程序UMAT为基础,利用Fortran编程语言,开发研制了Duncan-Chang模型接口程序。通过数值检验表明,所研制的接口程序开发思路正确,可以用于分析实际工程问题。

Duncan-Chang非线性地基模型的反演分析

在弹性半空间Boussinesq理论解基础上,推导得到了地基中的应力解,并给出了用应力表示的地基沉降计算公式。对于给定的q–s曲线,按照最小二乘法,用解析方法对Duncan-Chang模型参数进行反演分析,工程算例显示了该方法的正确性和实用性。反演得到的地基参数能很好地反映现场沉降试验结果。

玲珑金矿尾矿坝Duncan-Chang非线性静力计算分析

介绍了利用Duncan-Chang双曲线E-模型,对尾矿坝初始静力状态进行非线性计算分析的基本原理和计算过程。根据工程地质环境、土体物理力学特性,以主坝中心为剖面建立几何模型。采用GeoStudio软件Duncan-Chang双曲线E-模型,对玲珑金矿尾矿坝进行了非线性静力计算,得到了静力状态下坝内最大主应力、最小主应力、水平和垂直位移、应力水平、最大剪应力和剪应变、最大XY方向剪应力和剪应变,并结合计算结果,对玲珑金矿尾矿坝静力状态稳定性进行了细致分析。

不同排水方式的湿陷性黄土力学特性试验及邓肯-张模型的改进

为分析渠坡变形破坏机理,针对新疆某输水明渠工程的湿陷性黄土进行了固结排水和固结不排水三轴剪切试验,并通过改进的邓肯-张模型对三轴剪切试验曲线进行了模拟,同时与邓肯-张模型和驼峰型三次曲线模型进行了对比分析。研究结果表明:随着围压增大,固结排水试验的应力-应变曲线和体变曲线均由软化型转变为硬化型;固结不排水试验应力-应变曲线均为硬化型,孔压曲线均表现为软化型;固结排水试验得到的有效黏聚力大于固结不排水试验得到的黏聚力,固结排水试验得到的有效内摩擦角与固结不排水试验得到的内摩擦角相差较小;改进后的邓肯-张模型参数共有9个;邓肯-张模型不能合理描述软化型三轴试验曲线,驼峰型三次曲线模型对强软化型三轴试验曲线契合度较差,而改进的邓肯-张模型能够较好地描述各种形态的湿陷性黄土三轴试验曲线,有较好的准确性。

ANSYS中Duncan-Chang模型的实现及验证

介绍了在ANSYS中开发Duncan-Chang材料本构模型的方法,给出了开发过程的概要。数值检验表明,在AN-SYS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂岩土工程应力应变的有限元数值分析问题。

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。

土体邓肯-张非线性弹性模型参数反演分析

针对邓肯 -张土体的非线性 -弹性模型 ,本文用变尺度法编制了优化程序 ,对该模型参数进行参数识别 ,结合工程算例进行验证 ,并进行了反馈分析。结果表明变尺度法是一种很好的约束优化算法 ,其收敛速度快、准确性高 。

邓肯-张非线性模型研究及其在ANSYS中的实现

对工程领域使用广泛的邓肯-张非线性本构模型进行了研究,总结了国内外的研究现状及理论成果,针对其无法判定因结压力降低时的加载情况,提出了相应的变形模量的计算方法,同时考虑中主应力、土体抗拉强度的影响对模型进行了修正。利用APDL编写程序实现了ANSYS的材料本构模型的二次开发,运用重启动方法实现单元应力修正后数据重写入数据库,通过试验模拟对比分析验证了模型的适用性。

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线（q～ε1曲线）分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q～ε1曲线和应变软化型q～ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。

考虑时间效应的E-μ模型

为进行三峡泄滩滑坡体的变形建模和稳定性数值分析,进行了滑动带土的三轴排水蠕变试验,并在此基础上,提出了排水条件下粘性土与时间有关的非线性弹性模型,即与时间有关的邓肯-张E-μ 模型。该模型假定c,j不随时间变化,k,fR,G,D,n,F均与时间有关。通过试验数据拟合,给出了部分参数(如k,fR,G,D)与时间的关系式及模型的12个参数值。通过计算值与试验数据的对比表明:该模型适合于该滑动带粘土。

印尼某堆石坝坝体-溢洪道结构接触特性

印尼JATIGEDE黏土心墙堆石坝将溢洪道直接设置在由散粒体构成的坝体上,左右边墙直接与堆石坝黏土心墙相接,形成了国内外罕见的堆石坝坝型,坝体、溢洪道及坝体-溢洪道接触部位受力特性直接影响到工程的长期运行稳定性。基于三维非线性有限元法,在坝体渗流场分析的基础上,系统研究正常运行工况下堆石坝坝体、溢洪道结构以及坝体-溢洪道接触部位的应力、变形规律。结果表明:堆石坝坝体与溢洪道接触部位应力应变规律与常规心墙堆石坝有显著差异;坝体与溢洪道接触部位坝体土安全系数较低,应力集中明显,应力水平较高;坝体沉降、渗透比降、应力水平等均满足设计控制标准,大坝结构设计方案合理。

深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨

控制基坑开挖对环境的影响是深基坑研究与设计的重要课题。由于难以采用解析方法求得基坑开挖引起的基坑邻近土体的变形,常常需要采用有限元法等数值分析方法。然而,数值模拟中所使用的场地土体弹性模量参数常常不易获得。关于土的压缩性指标,勘察报告往往仅提供压缩模量。探讨了利用场地的岩土工程勘察报告数据获得数值分析中土体弹性模量的三种方法。

降雨条件下土体滑坡的有限元数值分析

将Duncan-Chang模型引入饱和-非饱和土的本构关系模型,建立了饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型,并应用于降雨滑坡的机理分析。由实例分析得知,利用饱和-非饱和土的统一的非线性弹性模型来分析由于大气降雨而引起的土体滑坡的形成与发展过程是可行的,也是一种有益的探索。

基于结构性黄土联合强度的邓肯–张非线性本构模型

基于Mohr–Coulomb强度准则建立的邓肯–张非线性本构模型可以较好地反映土体抗剪强度特性,但是不适宜反映土体的抗拉强度特性。为了合理反映结构性黄土的抗拉强度,首先,通过在邓肯–张非线性本构模型中引入联合强度准则,基于联合强度准则重新确定了土的强度(1 3?-?)f,从而对破坏应力比Rf进行了修正;然后,用修正后的破坏应力比Rf重新确定了切线变形模量Et;最后,用修正后的切线变形模量Et对切线泊松比νt进行了修正,从而建立了基于联合强度理论的邓肯–张模非线性本构模型,为邓肯–张非线性本构模型在结构性黄土边坡的稳定性研究中,合理考虑结构性黄土的抗拉强度特性的作用提供了一种新的方法和途径。

苏通大桥主塔墩基础群桩效应研究

在苏通大桥主塔墩群桩基础与土体共同作用三维非线性有限元方法分析的基础上,研究了群桩效应对高桩承台底面受力与变形特性、基桩轴力分布、桩侧摩阻力、桩底土附加应力的影响以及桩数变化对群桩效率系数的影响,拟合得出了苏通大桥基桩轴力和群桩效率系数的计算方法.结果表明,在桩径和桩距一定的条件下,群桩效率系数的变化幅度随桩数的增加逐渐减小,并最终趋于定值.

基于邓肯张模型多参数协调的强度折减法研究

简要介绍了邓肯张模型,结合大量的三轴实验数据对邓肯张模型进行了分析,建立了强度参数与变形参数之间的等价关系,进而提出一种考虑变形参数与强度参数协调折减的强度折减法。分析了不同折减方案对尾矿坝安全系数和塑性区分布的影响,得出与单纯折减c,φ值相比,协调折减Rf,K,n与c,φ的方案得到的位移场偏大,而协调折减Kb,m与c,φ的方案得到的位移场偏小,多参数协调折减的方案得到的位移场是一种折中的结果。同时,多参数协调折减方案可以消除模型底部部分不合理的塑性区,计算的安全系数结果最小,有利于工程的稳定性评价。

林木根系黄土复合体的非线性有限元分析

为了揭示林木根系固土的力学机制和林木固坡的抗滑机理,以林木根系黄土复合体为研究对象,采用三轴压缩试验结合有限元模拟的方法,研究了根土复合体的应力应变传递变化。将根土复合体视作单一均匀复合材料,采用非线性弹性模型中的邓肯--张(E--B)模型作为其复合模型,根据三轴压缩试验结果计算出的模型参数,运用非线性有限元法模拟三轴压缩试验中素土和复合根土复合体的应力场和应变场,绘制等值线图。结果表明:土体中加根能显著提高土体的承载力、限制土体的侧向变形、减少土体的沉降量,模拟结果与三轴压缩试验结果基本一致。可以将有限元方法用于造林边坡的应力应变场研究。

ADINA有限元软件中材料本构的二次开发

美国ADINA R&D公司开发的软件产品ADINA经过20多年的商业开发,目前已成为全球最重要的非线性求解软件,尤其对结构非线性、流-固耦合等复杂问题的求解具有强大优势,被认为是非线性有限元发展方向的先导。然而,任何商业化的有限元软件都不可能满足客户的所有要求,例如,ADINA软件中没有岩土工程领域常用的Duncan-Chang模型。以土工数值分析中广泛应用的Duncan-Chang E-B模型为例,介绍在ADINA软件中进行材料本构二次开发的方法,给出了开发过程,通过对3个常规三轴压缩模型的数值模拟验证程序的可靠性。结果表明,基于ADINA开发的材料本构模型具有计算速度快、精度高和前后处理快捷方便的优点。另外,验证结果也表明该软件具有超强的非线性求解能力和可靠的求解结果。

利用ABAQUS分析混凝土面板堆石坝非线性应力与应变

利用通用有限元分析系统ABAQUS的用户子程序,实现了Duncan-Chang模型的开发.对某混凝土面板堆石坝(CFRD)进行了填筑与蓄水过程的应力与变形的三维非线性有限元仿真模拟,得到了坝体和面板的应力与变形、垂直缝和周边缝沉陷、剪切和张开变形等结果,可为坝体断面优化分区、接缝止水设计提供重要参考依据.同时表明:充分利用ABAQUS已经具备的非线性分析功能,二次开发是完成混凝土面板堆石坝三维非线性应力应变分析的有效解决方案.

贴坡型混凝土面板堆石坝应力变形及坝坡稳定分析

利用堆石坝对地形条件适应性强的优势,某混凝土面板堆石坝设计建于条形山脊上,依天然坡面分别贴岩坡填筑堆石料,使原山体成为坝体一部分,形成国内比较罕见的贴坡型混凝土面板堆石坝.假设堆石料服从Duncan-Chang本构模型,采用平面非线性有限元法,预测了坝体在竣工期和蓄水期应力变形;并根据极限平衡理论和考虑堆石料的非线性强度计算了坝体稳定安全系数.全部计算结果表明:贴坡型混凝土面板堆石坝的坝体变形规律与常规混凝土面板堆石坝有较大的不同,坝体沉降和水平位移较小,受地形和岩坡开挖形态影响较大,下游岩坡开挖成阶梯形态对降低和控制坝体沉降具有较明显的效果,可减小下游坝体滑动的趋势,对维持和提高坝体竣工和蓄水后的稳定性有利.