基于ANSYS的静压桩贯入数值模拟分析.doc

第三章 基于ANSYS的静压桩沉桩贯入数值模拟分析 3.1 ANSYS接触分析过程 在一个完整的工程分析中，应有对工程进行有限元模拟的整套方案，包括目标、各种分析因素的考虑、分析手段的选择等。在建立物理模型的基础上，借助ANYSS这个工具，可以方便的转化成数学模型，然后求解分析。ANSYS分析的主要步骤：创建有限元模型(创建几何模型，划分网格)；施加荷载进行求解(施加荷载及荷载选项，设定约束条件，求解)；查看结果(查看分析结果，检验分析结构是否正确)。 接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：其一，在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦模型供选择，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。 3.1.1一般接触类型 接触问题分为两种基本类型：刚体-柔体的接触,在刚体-柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体(与它接触的变形体相比，有大得多的刚度)，一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体-柔体的接触，显然桩贯入土中的问题归为此类接触，另一类，柔体-柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体(有近似的刚度)。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元。桩土接触显然是面-面接触问题。 3.1.2面-面接触单元 Ansys支持刚体-柔体的面-面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Target169和Target17O来模拟2-D和3-D的“目标”面，柔性体的表面被当作，“接触”面，用Contat171，Contat172，Contat173，Contat174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫做一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”必须给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。 3.1.3面-面的接触分析 在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把 另一个作为“接触”面，对刚体-柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触” 面总是柔性面，这两个面合起来叫做“接触对”使用Targol69和Cnotal71或 Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。典型的面一面接触分析的基本步骤列示如下: ①建立模型，并划分网格 ②识别接触对 ③定义刚性目标面 ④定义柔性接触面 ⑤设置单元关键字和实常数 ⑥定义/控制刚性目标面的运动 ⑦给定必须的边界条件 ⑧定义求解选项和载荷步 ⑨求解接触问题 ⑩查看结果 3.2 土体模型选择 DP材料是一种适用于混凝土、岩石和土等颗粒状的材料。在ANSYS程序中，DP材料选项使用Drucker-Prager屈服准则，其流动准则既可以使用相关联流动准则，也可以使用不相关联流动准则，其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力(静水压力)的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性，另外，这种材料考虑了由于屈服引起的体积膨胀。 DP材料选项的数据表中，需要输入三个参数即粘聚力，内摩擦角和膨胀 角,膨胀角方用来控制体积膨胀的大小，一般取0。 3.3计算实例 选择某层状土地基作为试验场地，在该场地进行土性指标试验(结果见表3.1)。 表3.1 试验场地地基土的计算指标 层序编号 土层名称 深度范围 弹性模量 泊松比 黏聚力 内摩擦角 剪胀角 滑动摩擦系数 1 粉土 07．7 5 0.4 36 24.0 2 0.52 2 粉质粘土 7.710.8 6 0.38 86 14.4 0 0.34 3 粉土 10.815.2 8 0.36 45 28.9 8 0.63 4 粉土 15.219.6 10 0.35 52 30.1 9 0.66 5 粉质粘土 19.627.8 95 13.0 3.4有限元模型的建立及计算结果 3.4.1位移贯入法 如图3.1所示，可以采用以下三种计算方式来模拟桩的贯入: (1)在桩顶直接施加压力，使桩向下贯入(沉降)某一距离，但贯入的距离较小且不易预先确定，如图3.1(a)所示。此种计算相当于将桩的荷载加至破坏、使桩产生贯入的静荷载试验。因假定土体为弹塑性材料，加荷过大(超过破坏值)会导致计算异常，而加荷太小又不能产生塑性应变和贯入，故要通过试算确定合适的桩顶压