MIDAS GTS理论分析_2.doc

第二篇 MIDAS/GTS的岩土分析 岩土的有限元分析模型包含节点、单元、边界条件。节点决定模型的位置，单元决定形状和材料特性，边界条件决定连接状态。 岩土分析就是为了分析岩土及与岩土连接的结构在荷载作用下的反应。 岩土分析因为岩土材料特性、地下水以及地形等因素的不确定性，所以其分析结果受输入的条件的影响较大。 因为岩土的构成非常复杂，所以完全真实地模拟岩土材料的刚度特性是非常困难和不现实也是不经济的。在明确分析目的的情况下，适当简化分析模型是必要的。 例如，模拟埋深较大的隧道时，将上部覆土高度内的岩土都用有限元网格来模拟是不经济的。此时可模拟适当范围内的岩土，将上部覆土按外部荷载输入也是比较经济的方法。 另外，使用有限元方法模拟岩土时，用户应对有限元的理论和分析方法具有一定程度的了解，这样在模拟岩土时才能合理简化和模拟。 另外，应根据分析的目的选择单元的类型以及确定模型的范围。在设计中如果关心的是位移、应力以及支护的内力，则应该将模型的范围扩大一些，单元也应该细分一些。但是像安全鉴定等探讨岩土结构的安全性时，则可以将模型缩小一些，外部边界条件也可以使用弹簧来模拟。 做特征值分析时，为了避免产生局部振型的产生，应尽量简化模型。特别是在初步设计阶段(preliminary design phase)可从简单的模型开始分析，逐渐增加复杂度直到得到比较理想的结果。 建立数值分析模型时主要考虑事项如下： 决定节点位置时，主要考虑结构的几何形状、材料、截面类型、荷载状态等需要节点位置的因素的影响。需要建立节点的位置如下： A. 需要输出分析结果的位置 B. 需要输入荷载的位置 C. 材料变化的位置或规划的边界 D. 应力变化较大的位置 E. 岩土或结构形状变化位置 线单元(桁架单元、梁单元等)虽然不受单元大小的影响，但是面单元和实体单元受单元大小、形状、分布的影响，所以对应力变化较大或应力集中位置应细分单元。 一般来说，需要细分单元的位置如下： 几何不连续位置，例如隧道地面的角部。 荷载变化较大的位置，特别是有较大集中荷载作用位置 刚度或特性值变化的位置 不规则边界位置 可能发生应力集中位置 需要精密的应力和内力结果的位置 决定单元的大小和形状时应考虑的事项如下： A. 单元的尺寸和形状尽量一致。 B. 在需要单元尺寸变化的位置，大小的变化应尽量按对数分布(logarithmic configuration)变化。 C. 相邻单元的尺寸差异要小于1/2。 D. 计算应力用的单元尽量选用四节点的面单元或八节点的实体单元，单元的形状比最好是1:1且不要超过1:4。为了传递刚度或计算位移为目的时，不要超过1:10。 E. 四边形单元角度最好是90°，尽可能在45°~135°之间；三角形单元的角度最好是60°，尽可能在30°~150°之间。 G. 面单元的节点应尽量在同一平面内，不在同一平面内的高度差尽量不要超过1/100。 1. 坐标系和节点 MIDAS/GTS中使用的坐标系如下： 整体坐标系 (global coordinate system) 单元坐标系 (element coordinate system) 节点坐标系 (node Local coordinate system) 整体坐标系采用遵循右手法则的X、Y、Z轴的直角坐标系和R、、Z轴的圆柱坐标系)，并用大写字母表现。节点数据以及与节点相关的大部分的输入数据、节点位移、反力等一般按整体坐标系输入和输出。实体单元、平面应变单元、轴对称单元的应力和应变一般也是按整体坐标系输出。 整体坐标系用于决定模型的几何位置，程序默认的基准点为整体坐标系的圆点。 图2.1 整体坐标系的节点坐标 单元坐标系用于与单元形状相关的数值，遵循右手法则，一般用小写字母“x, y, z”表现。单元的内力以及与单元相关的一些输入使用单元坐标系。 2. 单元类型和主要考虑事项 MIDAS/GTS 实体单元 (solid element) 平面应变单元 (2D plane strain element) 平面应力单元 (2D axisymmetric element) 接触单元 (interface element) 有限元的输入包括决定单元类型、材料特性、刚度数据、位置、形状、大小等内容。 2.1. 实体单元 (Solid Element) 2.1.1. 一般事项 实体单元是利用四节点、六个节点和八节点构成的三维实体单元(Solid Element)，用于模拟实体结构(Solid Structure)或厚板壳(Thick Shell)结构。根据单元的边线上是否有中间节点，区分为高阶单元和一般单元。实体单元仅有三个平移自由度，没有旋转自由度。 一般来说六面体单元(八节点单元)和高阶单元