有限元模型利用有限元离心模型试验的可靠性

1、有限元模型 利用有限元离心模型试验的可靠性利用有限元分析离心模型试验的可靠性梁地 1 张军辉 1 陈瑜 1 任龙 2 王奥克 2（ 1长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410021）【摘要】随着我国经济高速发展，机场建设作为一个非常重 要组成部分，本文以广西河池机场项目为依托，项目主要研 究机场高填方填石路堤自身稳定性控制技术，采用 TLJ-150A 大型离心机进行离心试验，运用现有离心模型试 验的原理和基本理论， 分析研究高填方填石路堤的自身沉降 规律。本文主要是以 ANSYS 有限元软件为媒介对现场路堤 和离心模型试验路堤

2、模型分别进行有限元计算在重力荷载 下的自身沉降， 用以验证离心模型试验在填石路堤沉降研究 中可行性，为以后在工程实践中的应用提供新的理论依据。 【关键词】 ANSYS ；有限元；路堤；填石；离心试验 FiniteElementAnalysisoftheReliabilityoftheCentrifugeModelTestLIANGDiZHANGJun-huiCHENYuRENLongWANGAo-ke( SchoolofTrafficandTransportationEngineering,Changsha UniversityofScience&Technology,ChangshaHuna

3、n410114) 【 Abstract 】 Withtherapideconomicdevelopment,theconstructionoftheair portisasaveryimportantpart,thearticlereliesontheGuangxiHe chiAirportprojecttoresearchthestabilitycontroltechnologyoft heAirportembankmentofrockhigh-fill,tousetheTLJ-150Alarg ecentrifugetomakethetestthatuseoftheexistingcent

4、rifugemod eltestprinciplesandbasictheory,analysistheembankmentofhig h-fillsettlementlaw.ThisarticleismainlybasedonANSYSfinitee lementsoftwareasthemediaonthesceneembankmentandcentri fugemodeltestembankmentmodelfiniteelementcalculationofs edimentationundergravityloadtoverifycentrifugemodeltestst ostud

5、ythefeasibilityofStoneEmbankmentsettlement,toprovid eanewtheoreticalbasisinthefutureengineeringpractice.【 Keywords 】 ANSYS;Finiteelement;Embankments;Rockfill;Centrifugetes t1 工程概况 广西河池机场位于广西省河池市西北部南丹县八步村附近 见塘山与栋良山之间的山梁上， 距南丹县城公路距离 35km ， 距河池市直线距离 35km，公路距离 40km 。机场建设规模为： 跑道长 2200m，宽 45m。广西河池机场路堤属于典型

6、的山区 高填石路堤， 填筑材料主要是利用附近山体开挖出产的煤矸 石等岩石材料。在角点处导数不连续的问题， 另一方面也容易与库仑准则结 合起来确定计算参数 D-P 屈服面表达式为：F=姨 2- I1-k22（1）式中 :J2 为第二偏应力不变量， J2=1（1-2） +（1-3）+ （2-3）；I1 为第一应力不变量， I1= 1+ 2+；3和 k 可由 表征材料凝聚强度 C 和摩擦角 的屈服应力来确定， 对于三 轴压缩， 和 k 可表示为：22ANSYS 有限元分析原理 1 在工程领域里，通过假设、简化，给出它们的数学模型，将 问题归结为求解在给定边界条件或初始条件下的基本方程 （常微分或偏微

7、分方程） 。由于工程中复杂的几何形状、荷 载和材料特性等问题，通常无法得到解析形式的数学解答， 利用数值方法进行近似求解。 有限单元法是通过用相互连接 的有限小单元来模拟物体，通过联立每个单元的方程，建立 方程组，可得到整个物体的解答。 ANSYS 软件是一个融结 构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的可在多数计算机 及操作系统中运行的大型通用有限元分析软件之一， 在道路 结构分析中已经得到广泛的应用。2sin （ 2）姨（ 3 sin ） 6Csin （ 3）k=姨（ 3sin ）根据式（ 1）即可绘制出 D-P 屈服面，它在主应力空间为一 圆锥 =面。当 F0 时表示材料已发生破坏， 1、

8、 2、3处于屈服面外。 计算中填料本构模型选取3 填石路堤自身沉降分析基本假定 本文分析研究高填方填石路堤自身沉降规律时， 提出如下假 定：（ 1）土石料为各向同性连续介质； （ 2）岩土材料为理想 弹塑性体；（3）不考虑地基的沉降变形，认为地基在路堤荷载和自重 的作用下已完成固结沉降变形；（4）路堤填料的变形是在自重作用下产生的，而不考虑行 车荷载及气候因素对其造成的影响；（5）不考虑路堤填料土体固结及孔隙水压力的影响。D-P 准则，即假定填料为理想塑性材料 ,不产生硬化。 D-P 准 则的材料常数包括粘聚力 C、内摩擦角 和膨胀角 f。膨胀 角 f用来控制体积膨胀的大小。当 f=0 时，材

9、料不膨胀； 当 f= 时，材料则发生严重膨胀。根据文献 3，在有限元计算中，采用关联还是非关联法则， 取决于剪胀角 f。当 f= 时为关联流动法则；当 f=0时， 为非关联流动法则。总体来说，采用非关联流动法则所得破 坏荷载比同一类型材料而采用关联流动法则所得破坏荷载 小。本文假定膨胀角为零，即在变形过程中填料不发生体积 的改变，亦即采用非相关联流动法则。 4 1.3 高填方填石现 场路堤材料参数 根据填石路堤材料 D-P 模型，通过大型三轴试验获得试验参 数，见表 1。表 1 填料的有限元参数取值4ANSYS 有限元分析过程41 高填方填石现场路堤有限元分析 411 填石路堤有限 元模型有限单元本文采用四节点有限单元平面实体 PLANE42 分析单元， PLANE42 单元可以用于建立 2 维实体结构模型，可用作平 面应变分析单元，具有 4 个单元节点，每个节点有 2 个自由 度。 41 2 高填方填石路堤有限元材料模型 弹塑性破坏准则 2研究理论与实际均表明， 目前有限元分析 中能较好地模拟混凝土、 岩石和土壤等颗粒材料力学特性的 弹塑性破坏准则是 Druker-Prager 准则（简称 D-P 准则）， 它一方面克服了库仑准则Table1填料种类煤矸石Thefiniteelementparam