【《ABAQUS有限元仿真建模分析》6600字】

ABAQUS有限元仿真建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u27865ABAQUS有限元仿真建模分析 1307561.1有限元分析理论 1135331.1.1有限元分析概述 191691.1.2有限元分析软件ABAQUS介绍 2258061.2ABAQUS有限元建模 3165771.1.1道面板参数分析 3140421.1.2道面板模型建立 81.1有限元分析理论1.1.1有限元分析概述有限元分析方法是一种基于数学上近似的思想来对具体物理系统的真实工况进行仿真的方法。那些聚集在一起，可以表示实际连续域的微小单元被统一叫做有限元。有限元分析方法依靠一些基础而有可以互相作用的元素，称作单元，就能利用可计数的未知量的分析计算去逼近拥有无法计数的未知量的具体系统。有限元分析的基础原理是将复杂问题用简单的问题替代之后进行分析计算。有限元分析将众多被叫做有限元的小的相互连通的子域看作求解域的基本组成单位，之后对每一个小单元进行分析计算，求得一个合适的近似解，之后对这个求解域中最终所需满足的条件（例如结构的平衡条件）进行推导求解，从而最终输出问题的合理解值。但是由于这种方法的基本思想是将一个具体而复杂的问题拆解为一些相对简单的问题，在这种基本思想概念的限制下，有限元分析方法最后处理得出的解并不是一个有极高精确性的解，而是一个一定会存在误差的近似解。但是在实际工程环境下，有很多问题所牵扯的因素众多，想利用实地实验或具体分析解决问题时往往受到多方面条件的制约，导致难以进行或者研究成本过于高昂，很难得到准确的解。此时往往就会采用有限元分析方法，它不仅计算精度有保证，而且还能制作几乎所有复杂构型、设定多种特征属性，因而成为了工程行业内方便有效并且被大范围使用的分析方法。事实上，有限元分析这种类似的理念和手段早在几百年之前就已经有人探索过，并且这一方法在比较小的范围里得到了初步的应用。有限元分析法在最初被提出时被称作矩阵近似方法，主要应用于航空器的结构强度计算，并且由于此方法方便、快捷、简单、实用、有效的优点，引起了众多从事力学问题研究的科研人员的注意和浓厚兴趣。但是由于有限元分析方法常常要依托计算机进行分析计算，从前受制于计算机领域技术的限制，有限元分析法一直没有条件被推广普及使用。但是随着现代社会计算机科学技术的高速发展，有限元分析法具备了相应的硬件条件，逐渐走入了大众科研人员的视野，作为了一种主流的工程项目分析方法，迅速地扩展了应用领域，从结构工程强度分析计算发展到了几乎所有的科学领域，成为一种简洁高效、适用范围广大、上手门槛低、功能丰富的数值分析方法。1.1.2有限元分析软件ABAQUS介绍ABAQUS软件是一款运算处理能力强劲、解析模块多种多样、应用领域广泛的有限元软件。它包含多样详细的各种材料模型、有限元属性、荷载及约束条件，可以对静力、动力等多种工程问题进行模拟求解，尤其在对于非线性问题方面的运算求解能力十分强大，对各式各样复杂的工程分析问题都有较好的适用性。ABAQUS软件的组成模块主要前处理模块、后处理模块、通用分析模块、专用分析模块和与第三方软件的接口模块等。ABAQUS有限元对于各种各样的问题进行求解的基本流程都是差不多的，只是根据不同问题物理属性的不同和数学模型的差异，会有一些公式采用方面的不同和计算求解方式的区别。在利用ABAQUS有限元软件进行问题的分析求解时，一般可以将基本的工作路线粗略分为三段：前处理、处理和后处理。在前处理时，需要建立问题相关的有限元模型，完成属性参数的布置、各种条件的施加和有限元网格的划分；处理即是提交作业后由计算机软件自行进行分析运算；后处理则是等待分析运算完毕后对输出结果进行采集和总结，让使用者能够方便快捷地识别提取所需信息，了解计算的最终结果。ABAQUS可以给各种需求的使用者提供很多不同用途的功能，并且操作较为简洁，学习成本较低，即使是解决一些相对复杂的问题，也可以通过将各个简单的选项块进行相互组合的办法来成功模拟。例如，可以将表征部件二维或三维几何尺寸的选项块，与能够代表材料性质和特征的指定选项块结合，这样就可以将较为复杂的多部件问题进行相对准确的仿真，并合理输出数据。事实上，在很大一部分的仿真问题里，使用者只需要提供构件的几何形状数据等基础工程数据。除此之外，ABAQUS软件还可以令用户自行选择非线性分析的过程中所涉及到的各种深入参数，如收敛限度等。ABAQUS软件的智能性不仅仅体现在选择参数的合理和方便上，还可以在仿真实验中不停地调节现有参数，以此来确保软件在进行仿真分析时所输出数据的精确性。除此之外，ABAQUS软件中还拥有关联图形用户界面的相关模块。不仅如此，当解决一些情况比较特殊的问题时，此软件还可以借助特定的模块进行特定分析和解决。当ABAQUS软件在机场道面材料结构、属性等方面进行研究时，存在如下优势：在选择模型的材料方面，ABAQUS软件拥有专门研发的的材料库，可以基本满足基础的建模要求，其中主要涉及到弹性本构模型等。除此之外，ABAQUS中还拥有除了基础模块以外更加复杂更加高级的模型。ABAQUS中拥有的很多材料库里面的参数都适用于岩土工程，模型也丰富多样，其中主要包括塑性硬化模型、损伤模型等。在一般情况下，使用者可以基于实际的需求，使用其拥有的相关模块进行模型的构建。不光如此，ABAQUS软件还有二次开发的功能，这有利于使用者进行更加深入细致的系统分析。ABAQUS软件对于一系列非线性问题也可以实现较好的解决，并且可以对各种各样类型的材料进行深入分析，这在岩土工程问题的分析中尤为关键。本文的模型建立就是在进行文献查阅和综合考虑实际情况后，利用ABAQUS强大的仿真功能进行建模。1.2ABAQUS有限元建模1.1.1道面板参数分析本文的研究对象为国内4E级机场跑道水泥混凝土道面板。在进行任何其他研究之前，本研究首先需要进行机场道面相关参数的确定。机场水泥混凝土道面板的结构完整地来说分为四层，包括面层、基层、垫层和土基。通过查阅资料，垫层在机场道面结构层中的主要功能是在土基状况不良时，保证基层和面层的力学性能稳定。本文假定土基状况良好，采用的道面结构层中不设置垫层，因此本次建立的模型分为面层、基层、土基三层。土基模型的选择根据相关已成熟并且通过验证的学术文章和已发表的研究成果，本文的土基部分采用一种名字叫做温克勒地基的模拟模型布置。该模型在近一百五十年前被首次提出，温克勒地基的假设认为，在地基表面任何一点所受到的压力强度p，和该点处的地基沉降量w存在正比关系（即竖向位移w与该点处道面板给地基的施加压力p成正比），而与该点周围的作用力无关。公式形式p式中：p——某一点所受压力；ω——弯沉值；k——基床反力系数、也称垫层系数或地基反应系数和路基反应模量。温克勒地基假设相当于无数横向的没有相关的弹簧或相当于一种类似液体支撑方式的支撑作用。当地基承载一定压力时，若某一节点承受了压力P，则该节点就会出现法向的变形，但是该变形对于附近的节点没有影响。也就是说，在地基上的变形沉陷仅与此节点处的压力有关，邻近的地基将不会受到任何影响。由于上述所作假设，数学性质分析和力学参数的计算能够得以简化许多，得到数值解答的复杂度和难度大大下降。温克勒地基模型的力学示意图如图2-1所示。图2-1温克勒地基示意图温克勒地基所需的参数只有基层顶面反应模量K，基顶反应模量最低限制如下表：表2-1道面基层顶面反应模量最低要求飞行区等级A、BC、D、E、F基层顶面反应模量K(MN/m³)5080根据上表对基顶反应模量的规定，这里选取C、D、E、F机场的最低限制80MN/m³为本次温克勒地基模型的基顶反应模量。面层和基层参数的选择由于本研究建立模型的参考机场的等级是4E级，因此本研究对于面层和基层的参数也要模拟4E级机场相关的道面参数。查阅相关资料可知，我国目前4E级民用机场的跑道道面板主要材料采用的是C50混凝土。与其他标号的混凝土相对比，C50混凝土具有抗压抗拉强度高，使用寿命长的特点。故在本次仿真建模工程分析研究中，本研究采用的相关数据和特征参数将参考C50级别的水泥混凝土，弯拉强度设置为5.0MPa。而对于基层的具体参数确定，本研究参考表2-2，选取弹性模量为1500MPa，泊松比为0.25的基层。C50混凝土的抗压强度为50MPa，抗拉强度为1.64MPa，密度为2500kg/m³。弹性模量取30000MPa，泊松比为0.15。部分参考资料及水泥混凝土道面板最终参数选择如下列表格所示。表2-2混凝土各等级抗拉强度混凝土强度等级抗拉强度标准值抗拉强度设计值C201.541.10C251.781.27C301.011.43C351.201.57C401.391.71C451.511.80C501.641.89C551.741.96表2-3结构层模量取值道面层结构弹性模量取值沥青混凝土层1500、1700、1900、2100、2300、2500、2700水泥混凝土层30000、31000、32000、33000、34000、35000、36000、37000、38000基层900、1100、1300、1500、1700、1900、2100表2-4水泥混凝土道面板模型相关参数道面结构层弹性模量/MPa泊松比结构层厚度/m面层300000.150.25基层15000.250.253.接缝的模拟混凝土板间的接缝是机场道面模拟仿真中比较关键的地方。单块机场道面所受荷载会由接缝处传递给其他道面，导致受力形态的变化。为了模拟这种变化，本研究在进行建模的时候要综合考虑道面板间存在的接缝和接缝传荷能力的影响，这样才能更真实地反映水泥混凝土面板受到机轮荷载时应力应变的分布。参考罗勇等人《三维有限元法对水泥混凝土道面接缝传荷作用的模拟方法研究》中对接缝的研究，在三维有限元建模中，对于接缝有三种常见的模拟方法：弹簧单元法、实体建模法和虚拟材料层法。这些方法都各有优劣，由于本研究在这里对接缝的建模只需要模拟接缝的传荷作用，不需要对接缝本身的力学行为进行模拟分析，因此选择了虚拟材料层法作为接缝模拟的处理方式。虚拟材料层在本研究种的体现形式是在所建立的机场道面板块模型中板块边缘之间的位置，也即接缝存在的位置设置一个虚拟的薄材料层，该薄材料层的长度和厚度参数与所建立的板块长度厚度参数相同，该薄层的宽度参数和所假定的接缝的宽度参数相同。在ABAQUS里，该虚拟材料层构件与两侧的板块构件之间采用绑定（Tie）连接的方式进行约束，虚拟接缝层的详细构型如下图所示。图2-2虚拟材料层结构示意图采用虚拟材料层这一方法的主要功能是可以通过调整该材料层的弹性模量大小进而模拟所假定的接缝的不同传荷能力大小。该方法的优点主要是操作较为简单，模型建立难度低、计算方便，而且可以对各种接缝的传荷能力大小进行模拟，缺点仅能模拟单纯的传荷能力，接缝的力学结构无法明确地表达，适用于仅需对接缝的传荷能力进行模拟，对接缝其他因素如力学结构等不作考虑的本模型。通过调整弹性模量，不同弹性模量的虚拟材料层几乎可以模拟绝大部分不同状态的接缝传荷能力。根据机场水泥混凝土道面接缝传荷能力的划分标准，水泥混凝土道面接缝传荷能力等级有好、中、次、差四种。表2-5水泥混凝土道面接缝传荷能力等级评定标准评定等级好中次差LTEδ>8080~5655~31<31基于和鹏远等人研究的通过测量HWD弯沉值测定跑道、滑行道的接缝传荷系数，可以得到跑道的弯沉比传递系数在65%左右，滑行道弯沉比传递系数在70%左右。为了简化计算，统一结果，在这里将本模型接缝的传荷能力定义在“中”等级。虚拟材料层的弹性弯拉模量和接缝传荷能力的对应关系如下表。表2-6虚拟材料层弹性模量与接缝传荷能力对应关系虚拟材料层弹性模量/MPa接缝传荷系数/%2000098.151000098.09100093.5060091.7810081.658080.644074.721055.03541.25115.730.11.900.010.110.0010.110.00010.090.000010.090.0000010.09根据表2-5的评定标准与2-6的对应关系，本研究选取虚拟材料层600、40、5和1MPa的弹性模量来对应评定标准中道面接缝传荷能力好、中、次、差4个等级。因此，本模型的接缝传荷能力所对应的虚拟材料层弹性模量为40MPa，接缝宽度8mm。在进行建模之前，本研究还需要对道面的状况进行假设。由于机场道面的面积庞大，机场的地质条件等等都会存在一定的差异，而且施工技术的区别、环境条件的复杂和受实际的运行情况的影响，让机场道面的各种结构层参数差异性变大，为了在研究中获得一个较为合理而统一的结果，这里忽略与本研究无关的影响因素，进行如下假设：1.机场水泥混凝土道面各结构层所使用的材料皆是均匀的，并且是符合各向同性的弹性材料，这些材料的各项力学性能都是基于胡克定律进行变1.跑道的基层厚度稳定不变，且厚度可测定；3.跑道各结构层之间的接触面是紧密而连续的；4.土基之下的结构层不发生任何变化，道面结构所有的力学变化都为道面结构层自身产生。机场道面模型的建立涉及多项结构参数，如各个结构层的厚度、弹性模量、泊松比和弯拉强度等等。机场道面在运行使用的过程中，由于受飞机荷载的冲击、材料属性的特征、环境变化的影响、养护能力的差异和改建措施的设计等等都会让机场道面的各种结构参数发生改变。因此，要综合考量各种因素，在合理假设的条件下，进行广泛的分析和研究，最终进行参数的正确取值，模型的合理性才能得到保证。当参数及假设确定后，就可以开始进行道面板的有限元仿真建模。1.1.2道面板模型建立1.道面板块的模型建立首先根据上述参数建立相关的面层、基层、接缝虚拟层板块模型，长度和宽度尺寸先取最常见的5m×5m的道面板块。建立完成后，进行材料的设置。在ABAQUS软件中，赋予部件材料的属性的操作较为复杂，首先需要创建材料，将有关的力学性能参数等输入进去，形成一个新的材料选项。之后再创建一个截面为载体，将材料的属性赋予截面，再将不同的材料截面分配给不同部件来实现部件材料赋予的操作。这样做的优点是对于多个相同材料的部件，可以方便快捷且条理清晰地统一赋予，并且材料的属性也可以在后续操作时随时更改，不必重新创建新的部件，截面的性质是稳定的，不会随部件的更改而更改。之后通过材料的相关参数创建基层、面层、虚拟接缝层的材料，材料创建完毕后再分配到对应的基层、面层、虚拟接缝层等部件。虚拟接缝层材料参数面层材料参数（c）基层材料参数图2-3道面板各部件材料布置之后进行模型的装配。由于要考虑板块之间接缝的影响，建立模型时要建立一块以上道面板的装配体。由于本次的仿真研究结果与荷载加载位置与两块道面板块之间的接缝关联性较大，远离荷载区域的接缝对仿真结果造成的影响并没有那么显著，出于对电脑算力和模型复杂度的综合考量，本次模型将建立两块道面板组合的装配体。虚拟接缝层和相邻两块道面板之间采用ABAQUS中的绑定连接。同时，机场道面在施工时各结构层施工时的衔接要经过反复施工、反复压实，这样做是为了防止各个结构层之间发生相对位移，也即在施工作业完毕后，理想状况下，机场道面的面层与基层之间是不会产生相对位移的。基于此特征，本研究同样在面层和基层之间设置一个绑定约束，来模拟这种层间关系。就这样将板块与接缝、板块与板块的部件装配到一起，成为机场道面板块实例。图2-4混凝土板之间的虚拟接缝层示意图图2-5层间和接缝间约束类型图2-6机场道面板模型1.温克勒地基模型的实现本研究将土基看成温克勒地基模型，因此就无需再对土基进行实体的建模，实体的模型中仅需面层和基层两层。有关温克勒地基模型的实现，直接可以在ABAQUS中，通过相互作用的设置来模拟。本研究在Initial分析步中的相互作用选择弹性基础，将所设定的基顶反应模量施加给基层的最下面，即可模拟温克勒地基的基本