杜國(guó)強(qiáng)

(廊坊市交通局材料供應(yīng)處)

1 ANSYS簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司的產(chǎn)品,是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過(guò) ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類軟件。該軟件能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等學(xué)科的研究,廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵道、汽車交通、國(guó)防軍工等一般工業(yè)及科學(xué)研究。在世界范圍內(nèi),ANSYS軟件已經(jīng)成為土木建筑行業(yè)CAE仿真分析軟件的主流。ANSYS在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土房屋建筑、體育館場(chǎng)、橋梁、大壩、隧道以及地下建筑物等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動(dòng)力特性做出全面分析,從力學(xué)計(jì)算、組合分析等方面提出了全面的解決方案,為土木工程師提供了功能強(qiáng)大且方便易用的分析手段。

一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程主要包括前處理,加載與求解和后處理 3個(gè)步驟。

(1)前處理:指定作業(yè)名和分析標(biāo)題;定義單元類型;定義單元實(shí)常數(shù);定義材料特性,創(chuàng)建幾何模型;對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(2)加載和求解:定義分析類型和分析選項(xiàng);施加載荷及約束;指定載荷步選項(xiàng);求解初始化。

(3)后處理:從計(jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù);對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示和列表顯示;進(jìn)行各種后續(xù)分析。

2 剛性路面體系力學(xué)計(jì)算的理論假設(shè)及其存在的問(wèn)題

目前,剛性路面應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)的方法,多數(shù)是以彈性地基薄板為基本力學(xué)模型。彈性地基包括溫克勒地基,彈性均質(zhì)半空間地基和彈性層狀半空間地基。

將板體置于彈性地基之上并與之共同作用,在求解時(shí)對(duì)板與地基之間的聯(lián)系作以下假設(shè):

(1)在變形過(guò)程中,板與地基始終緊密接觸,因此,地基頂面的垂直位移與薄板中面的垂直位移相等;

(2)板與地基的接觸面上無(wú)摩阻力,可以自由滑動(dòng),也就是說(shuō)層間水平剪力為零,地基對(duì)板體只有垂直作用。

上述兩項(xiàng)假設(shè)存在一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題,沒(méi)有考慮層間摩阻力,而事實(shí)上,層間接觸不可能完全光滑,接觸面上肯定存在摩阻力,如果不考慮摩阻力計(jì)算結(jié)果必然與實(shí)際值有差別。

此外,在實(shí)際工作中,板下地基是一個(gè)多層半空間體,但由于其在數(shù)學(xué)計(jì)算上的復(fù)雜性,多采用地基模量當(dāng)量換算的辦法簡(jiǎn)化多層地基,由此計(jì)算出的荷載應(yīng)力也必然與實(shí)際值有出入。

3 ANSYS在剛性路面力學(xué)中的應(yīng)用

用ANSYS模擬剛性路面體系,采用實(shí)體建模的形式,下面介紹模擬地基和剛性路面板力學(xué)行為所用到的單元及其使用方法;邊界條件的處理和加載求解的設(shè)置。

3.1 地基的模擬

在路面體系力學(xué)計(jì)算中假定地基在水平方向和深度方向均為無(wú)限,而在ANSYS中建立模型時(shí)不可能把模型建立為無(wú)限大,因此,只能取路面模型的長(zhǎng)、寬、深為足夠長(zhǎng),用solid45單元模擬彈性層狀地基的作用,包括基層、墊層和土基,各層分別建立模型,設(shè)定各自的材料屬性(彈性模量、泊松比)和實(shí)常數(shù),solid45單元用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型,共 8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度:X、Y、Z三個(gè)方向。該單元有塑性,徐變,膨脹,應(yīng)力強(qiáng)化,大變形和大應(yīng)變能力,其質(zhì)量矩陣為集中質(zhì)量矩陣,是對(duì)角陣,剛度矩陣是對(duì)稱的一致矩陣。

也可以把土基的作用簡(jiǎn)化為土彈簧,即溫克勒地基模型,用彈簧單元combin14模擬,也可以用鏈桿單元Link10模擬,在設(shè)定鏈桿單元Link10的關(guān)鍵字時(shí),讓link10單元只能受壓不能受拉。用彈簧單元和鏈桿單元的好處是可以通過(guò)去除相應(yīng)位置的彈簧或鏈桿來(lái)模擬地基的脫空。

3.2 剛性路面板的模擬

如果路面板受力狀態(tài)在彈性范圍內(nèi),可以用solid45單元,如果考慮到水泥混凝土路面板的一些非線性特性,或者是配筋的路面板,就用solid65單元模擬剛性路面板,該單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開(kāi)發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋(或玻璃纖維,型鋼等)以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。它是在三維8節(jié)點(diǎn)等參元solid45單元的基礎(chǔ)上,增加了針對(duì)于混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型。solid65單元本身包含兩部分:一是和一般的8節(jié)點(diǎn)空間實(shí)體單元solid45相同的實(shí)體單元模型,但是加入了混凝土的三維強(qiáng)度準(zhǔn)則;二是由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型,它可以在三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。

3.3 各層之間的接觸處理

如果各層之間接觸條件完全連續(xù),則應(yīng)該在劃分完網(wǎng)格后對(duì)重合結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并和壓縮,Preprocessor/Numbering Ctrls/MergeItems,在隨后的對(duì)話框中選擇All進(jìn)行合并;Preprocessor/NumberingCtrls/CompressNumbers,在對(duì)話框中選擇All進(jìn)行壓縮。

如果層與層之間完全光滑或者半連續(xù),有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)。一是利用彈簧單元combin39,該單元可以很方便的設(shè)定界面上的剪力——滑移關(guān)系,并且有多種滑移模型可供選擇。二是利用接觸單元,ANSYS軟件內(nèi)部提供了點(diǎn)點(diǎn)接觸、點(diǎn)面接觸、面面接觸等多種接觸模型?？梢杂妹婷娼佑|單元來(lái)模擬板與地基之間、層狀地基的層與層之間的接觸與滑移關(guān)系,并且可以設(shè)定板與地基之間、層與層之間的摩擦系數(shù)。從而克服了剛性路面體系力學(xué)計(jì)算中的第二個(gè)理論假設(shè)所存在的問(wèn)題,使計(jì)算模擬更接近實(shí)際情況。

3.4 邊界約束

對(duì)模型的邊界有兩種處理方法:一種是假定地基的前、后、左、右各節(jié)點(diǎn)只有豎向位移沒(méi)有橫向位移;模型最底部各節(jié)點(diǎn)采用固定約束,既無(wú)豎向位移,又無(wú)橫向位移,路面板四周無(wú)約束。第二種方法可以將路面兩側(cè)的土壓力認(rèn)為是彈性壓力,路面的底部簡(jiǎn)化為彈性地基,均采用三維彈簧單元來(lái)模擬。如果模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu),荷載也是對(duì)稱的,可以建立一半模型,以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。

3.5 加載與求解

輪胎的印跡按規(guī)范應(yīng)取為當(dāng)量圓形式,但是為了方便網(wǎng)格的劃分,可以把輪胎的接地印跡取為等面積的矩形。加載完后,保存模型數(shù)據(jù)就可以求解了。如果模型沒(méi)有涉及到非線性,即路面板單元為solid45單元,并且板與地基之間,地基的各層之間都是連續(xù)接觸,直接在主菜單中進(jìn)行如下操作:Solution/Solve/CurrentLS,就可以求解了。如果模型涉及到非線性,例如路面板單元為solid65單元,或者板與地基之間,地基的各層之間用到了接觸單元,則需要在Solution/ Sol'Controls打開(kāi)的對(duì)話框中進(jìn)行求解設(shè)置,比如荷載步、子步的大小,收斂準(zhǔn)則的設(shè)置,是否打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步等,一般而言,子步越多,精度越高,但是以計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加為代價(jià)。

3.6 后處理

在ANSYS的后處理器中可以查看任何節(jié)點(diǎn)、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動(dòng)畫(huà)模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時(shí)間歷程分析功能可以對(duì)載荷疊加進(jìn)行分析計(jì)算。

4 應(yīng)該注意的問(wèn)題

(1)一般說(shuō)來(lái),網(wǎng)格劃分的越密計(jì)算精度越高,但是計(jì)算工作量也越大,應(yīng)力集中越嚴(yán)重,在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位要避免出現(xiàn)過(guò)小單元。所以,劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)該兼顧計(jì)算精度和工作的經(jīng)濟(jì)性,遵循一定的原則:

①在滿足精度要求的前提下單元數(shù)目盡量少,以提高計(jì)算速度,減少機(jī)時(shí)。

②在關(guān)心計(jì)算結(jié)果處采用較密網(wǎng)格,提高計(jì)算精度。

(2)六面體單元一般比四面體單元計(jì)算要穩(wěn)定且收斂性好,因此,應(yīng)該盡量使用六面體單元。

(3)正確選擇收斂準(zhǔn)則,這是針對(duì)非線性求解過(guò)程而言的。在ANSYS中可以將收斂檢查建立在力、力矩、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)或這些項(xiàng)目的任意組合上,而且每一個(gè)項(xiàng)目可以有不同的收斂容限值。其中以力為基礎(chǔ)的收斂提供了收斂的絕對(duì)量度,而以位移為基礎(chǔ)的收斂?jī)H提供了表現(xiàn)收斂的相對(duì)量度。因此最好使用以力為基礎(chǔ)(或以力矩為基礎(chǔ))的收斂容限,如果需要可以增加以位移為基礎(chǔ)(或以轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ))的收斂檢查,但是通常不單獨(dú)使用它們。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和有限元技術(shù)的日趨成熟,大型通用有限元軟件被越來(lái)越多地應(yīng)用,這些軟件的出現(xiàn)給路面力學(xué)計(jì)算帶來(lái)了新的突破。

[1] 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJD40-2002)[S].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 魏連雨,張海榮,劉召偉.舊瀝青路面上加鋪水泥混凝土層的力學(xué)分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(6):94-99.

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