ABAQUS土木行业培训

Abaqus 土木行业解决 Abaqus 软件公司 2007 年 10 月 - 1 - 目录 第一章 Abaqus简介......................................................................... 1 第二章 Abaqus土木行业功能简介................................................. 8 第三章 Abaqus在建筑中的应用........................................... 15 第四章 Abaqus在岩土工程中的应用............................................19 第五章 Abaqus在桥梁工程中的应用........................................... 28 第六章 Abaqus在水工中的应用................................................... 32 第七章 Abaqus在其它领域中的应用...................................... 38 第八章 Abaqus/Aqua简介......................................................... 42 - 2 - 第一章 Abaqus 简介 1. 1 Simulia 公司简介 Simulia 软件公司前身 Abaqus 软件公司成立于 1978 年，总部位于美国罗德岛 博塔市，专门从事非线性有限元力学分析软件 Abaqus 的开发与维护。 公司总部雇员三百余人，其中 100 多人具有工程或计算机博士学位，近 70 人 具有硕士学位，被公认为世界上最大且最优秀的固体力学研究团体。 Abaqus 软件已被全球工业界广泛接受，并拥有世界最大的非线性力学用户 群。Abaqus 软件以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的 能力，除了在广大工业用户中得到认可外，也在以高等院校、科研院所等为代表 的高端用户中得到广泛赞誉。 随着研究水平提高所引发的对高水平分析工具需求的加强，Abaqus 软件在各 行业用户群中所占据的地位也越来越突出。土木领域是 Abaqus 软件的一个重要 应用领域。目前 GeoConsult、ISMES、T. Y. Lin 等世界知名的建筑企业都是 Abaqus 软件的重要用户。在国内，Abaqus 软件进行分析。中国建筑科学研究院、 广东省建科院、北京水科院、武汉长江科学院院、上海现代建筑设计院、江钻 股份、铁道科学研究院、中科院武汉岩土所、上海市基础工程公司，核二院建 筑所、上海岩土工程勘察设计院、中国联合工程公司等等。 2002 年 5 月成立的 Simulia 公司北京代表处和 2005 年 1 月成立的上海代表处 是 Simulia 公司在大中国地区的两个分支机构，全面负责 Abaqus 软件在中国的 - 3 - 推广和服务，以及软件的本地化工作。 随着软硬件技术的不断发展，Simulia 公司的业务也持续发展，2002 年增长 11%，2003 年增长 18%。Abaqus 软件的用户绝大部分是租赁用户，这些用户通 常对产品和服务要求都是很苛刻的。Simulia 是一个推崇技术的公司，它始终走 在结构力学研究和软件化领域的前沿，它良好的品质和服务得到业界的广泛认 可，这也是占其用户很大比重的租赁用户一年又一年往复租用它的原因。 1. 2 Abaqus 软件模块介绍 Abaqus 软件共有三个基本模块，分别为 Abaqus/CAE，Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit。 1.2.1 Abaqus/Standard 模块 y 解决各种实际问题 Abaqus/Standard 为工程师和分析专家提供强有力的工具来解决许多工程问 题：从线性静态、动态分析到复杂的非 线性耦合物理场分析。结合使用 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit，利 用两者的隐式和显式求解技术，可以让 更多实际问题获得求解。 y 精确、可靠的分析 分析一项工程问题所使用工具的质 量，极大地影响该问题求解的可靠性和 质量。我们对 Abaqus/Standard 的每一个版本，在所有支持的计算机平台上，都 - 4 - 进行一整套完整的测试；包括 13,000 次的回归测试以及对许多客户模型的测试。 此外，Abaqus/Standard 有最好的行业技术支持和完备的手册做后盾，用户完全可 以放心的使用该产品。 y 开发高效求解技术 对于绝大多数复杂问题的求解来说，高效可靠的求解过程是非常重要的。 Abaqus/Standard 提供并行的稀疏矩阵求解器。该求解器对各种大规模计算问题都 能十分可靠地快速求解。不仅如此，Abaqus/Standard 还包含许多新颖的求解技巧 来提高求解速度。 y 改进现有工作流程 业内领先的 Abaqus/Standard 分析能力，结合与现有前后处理器的兼容能力， 使 Abaqus 常常成为用户的唯一选择：用户可以把他们所有的有限元分析需求全 部集成在 Abaqus 中进行求解。Abaqus/Standard 不仅可以在现有的工作流程中方 便的使用，还可以借助它强大的功能显著的改进现有的工作流程。 1.2.2 Abaqus/Explicit 模块 y 求解复杂的非线性问题 Abaqus/Explicit 是求解复 杂非线性动力学问题和准静态 问题的理想程序，特别是用于模 拟冲击和其它高度不连续事件。 Abaqus/Explicit 不但支持应 力/位移分析而且还支持完全耦 合的瞬态温度－位移分析、声固耦合分析。Abaqus/Explicit 与 Abaqus/Standard - 5 - 有机的结合，使求解能力更加强大和灵活。任意的拉格朗日—欧拉(ALE)自适应 网格功能可以有效地模拟大变形非线性问题，例如金属成形。 y 使用的可靠性 Abaqus/Explicit 的开发有着严格的质量监控，它是同类软件中唯一同时达 到了 ISO9001 和美国国家协会/美国机械工程师协会（ANSI/ASME）颁布的核 工业质量保证程序 NQA-1 规范要求的软件。为了保证在工业生产中使用该产品的 可靠性和高质量，Abaqus/Explicit 的每一个版本都经过了一系列广泛的测试， 包括超过 3500 个回归测试和许多对用户模型的测试。 y 精确、可靠的分析 分析一项工程问题所使用工具的质量，极大地影响该问题求解的可靠性和质 量。Abaqus/Explicit 恰当地运用力学知识和算 法，能使问题得到有效的、精确的解答。这就保 证了相同的问题在不同的计算机平台上或者当计 算机的处理器个数不同时都能得到相同的结果。 此外，Abaqus/Explicit 拥有最好的工业技术支 持和最完备的用户指南，使您在使用该软件时信心十足。 y 开发高效求解技术 Abaqus/Explicit 为用户提供了高效模拟各类问题的技术。在各种的处理器 上 Abaqus/Explicit 显示出强大的并行处理能力。Abaqus/Explicit 拥有全面的 处理接触问题的功能，能够模拟模型里许多部件之间复杂的接触和相互作用并且 显著地削减运算时间。其它功能，如质量缩放和重启动，使 Abaqus/Explicit 成 为有效地模拟复杂问题的工具。 - 6 - 1.2.3 Abaqus/CAE 模块 y 快速地创建高质量的模型 熟悉现代CAD系统的用户欣赏 基于特征的、参数化建模方法所 带 来 的 高 效 率 和 机 动 性 。 Abaqus/CAE 是唯一提供这种几何 建模方法的有限元前处理程序。 用户能够创建参数化几何体如： 拉伸、旋转、扫略、倒角和放样。 同时也能够由各种流行的 CAD 系统导入几何体，并运用上述建模方法进行进一步 编辑。 y 全面支持 Abaqus 的分析功能 Abaqus/CAE 支持广泛的 Abaqus 分析功能并且为初学者和经验丰富的用户提 供人机交互的使用环境。熟悉的 Abaqus 分析概念，如分析步、接触、约束和预 设条件等，能够通过操作简便的界面得以实现。Abaqus/CAE 还提供了完全的后 处理和可视化功能，即使最大规模的 Abaqus 分析结果也可以高速、高质量地进 行绘图。 y 混合建模方法的使用 实际的分析过程中，几何体和网 格体往往共同存在于模型中， Abaqus/CAE 通过混合建模方法能够 - 7 - 非常容易的处理这种情况。用户可以处理基于几何体的数据，同时也可以处理导 入的纯的节点和单元数据，这些数据没有任何几何拓扑关系。接触、载荷以及边 界条件能够施加在几何体上或者直接施加在单元的节点、边或面上。这种允许几 何体与网格体混合使用的建模环境，为用户分析特定问题提供了最佳的灵活性。 y 流程化和自动化处理 Abaqus/CAE 建立在一个开放的可拓展 的平台之上，这使得用户可以对成熟的工 作流程进行二次开发。从基本的宏功能和 重放文件到完全集成的企业级应用， Abaqus/CAE 提供了一个丰富的工具包来 自动化处理各种任务和流程，并容易将 Abaqus 的有限元分析功能向更广阔的用户群推广。 - 8 - 第二章 Abaqus 土木行业功能简介 土木工程是有限元分析应用的一个重要领域。 土木工程设备的强度、寿命和可靠性分析以及钻 探、挖掘、采矿，施工等过程的力学仿真是结构工 程领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题，需要 多门学科的理论和方法的综合应用。 针对土木领域关注的各种线性非线性力学问题 Abaqus 有针对性的提供了相应的有限元分析解决 方案。Abaqus 的有限元分析能力已经被全球各大建筑设计单位所检验并得到了 广泛的认可。Abaqus 软件对于土木问题具有强大的功能，一下列举了一些土木 方针分析中常用的功能。 2. 1 岩土材料本构模型 本构模型是保证分析结果正确性的关键因素，Abaqus 提供了众多的岩土材料 本构模型，弹性方面有各向同性线性弹性、各向同性孔隙介质弹性（非线性弹性）， 各向异性损伤弹性（非线性弹性，主要用于混凝土或节理材料）；塑性方面有压 应力无关的开口屈服面准则（Mises 准则），压应力相关的开口屈服面准则 （Drucker-Prager 模型、Mohr-Coulomb 模型），闭口屈服面准则（剑桥模型、帽 盖 Drucker-Prager 模型），多屈服面准则（用于节理材料）。可以适用于从黏土、 沙土到岩石的各种岩土材料。 - 9 - 2. 2 混凝土本构模型 Abaqus 提供了 4 种混凝土本 构模型：弥散裂纹混凝土本构模 型（Smeared cracking model）、脆 性断裂混凝土本构模型（Brittle cracking model）、混凝土损伤塑性 模型（Concrete Damaged Plasticity model）以及帽盖 D-P 模型（Cap Drucker-Prager model），分别适用于普通静力分析、瞬态动力分析、循环往复荷 载分析（如抗震分析）、高压混凝土结构分析（如高围压隧道、核废料掩埋隧道 等受高压混凝土结构）。 2. 3 单元库 共有 562 种单元，除通用有限元软件里的 连续体、梁、板、壳单元外，Abaqus 还包括 土木中应用的特殊的单元，如实体壳 （Continuum Shell）、土壤 /管柱连接单元 （Pipe-Soil）、加强筋单元（Rebar）、锚链单 元（Drag Chain）等等；可以满足土木领域的各种需求。 2. 4 初始地应力平衡 地下工程的塌方、岩爆、坑道变形和支护结构破坏以及地面工程的岩基失稳 和边坡破坏等的发生，都是由地应力而引起的。因此弄清楚土（岩）体的初始地 - 10 - 应力场分布就有着非常重要的意义。Abaqus 提供了 Geostatic 分析步，可以方便 建立湿土（考虑静水压力的影响）和干土（不考虑静水压力的影响）初始地应力， 而且 Abaqus 可以直接给定侧压力系数的方法给定土体或岩石的初始侧压力，所 以甚至能够建立侧压力系数大于 1 的高围压岩石的地应力平衡。 2. 5 土体的固结和渗流分析 Abaqus 的 Soil 分析步的分析功能不光提供了流固耦合的稳态渗流的功能、 瞬态固结的功能、而且提供了非饱和土的分析功能，可以分析大坝的渗流以及土 体在荷载作用下的固结问题等等。 2. 6 单元生死功能 建筑结构的施工过程存在材料的去除和重新生成，Abaqus 提供了方便的单元 生死功能，用于模拟建筑结构的施工过程。 2. 7 强大的分析功能 包括土木行业需要的静力分析（包括土体的渗流、固结分析等等）、隐式、 显式动力分析、模态分析、复模态分析、线性屈曲分析、非线性屈曲分析、后屈 曲分析、随机响应分析、响应谱分析，稳态响应分析、质量扩散分析、热传导分 析，热力耦合分析、水下冲击分析等等，能解决土木工程中的绝大部分静、动力 问题。 2. 8 非线性分析 Abaqus 可以分析三种类型的非线形问题：材料非线形、几何非线性和边界非 - 11 - 线性。 2.8.1 材料非线性： 这种非线性可能是人们最熟悉的，除前面叙述的具有多种岩土非线性本构模 型外还有多种其它材料本构模型，更重要的是 Abaqus 有多种分析方法，对于不 同的问题可以采用不同的方法，如普通材料可以采用 General Static 方法；材料 刚度软化可以采用 Riks 方法；而对于塑性变形非常大的静力问题可以采用显式 算法（Explicit）做拟静力分析。 2.8.2 边界非线性 如果边界条件在分析过程中发生变化，就会产生非线性问题，也就是我们通 常所说的接触问题。这类非线性问题通常在瞬时发生很大的变化，所以是最复杂 的非线性问题，Abaqus 在处理这类问题有其独特功能，能最大程度保证问题的 收敛。 接触是一个普遍现象，Abaqus提供多种接触类型模拟各种接触问题。包括点 -点、点-面、面-面、刚-柔、柔-柔等接触类型，其中可包含摩擦、摩擦生热、接 触传热及接触绑定等特性，还包括小滑动和有限滑动接触。可以利用Interaction 这个模块方便的建立接触对。 2.8.3 几何非线性 几何非线性发生在位移的大小影响到结构响应的情况，这可能是由于： （1） 大饶度或大转动 （2） 突然翻转 （3） 初应力或载荷刚性化 Abaqus 对于几何非线性除了可以改变单元扭曲度外还可以利用网格自适应 - 12 - 功能来增加其收敛性。 2. 9 热及热固耦合分析 Abaqus 的热分析能力也很强大，可以分析传导、辐射和对流等热交换方式热 量在介质内部和介质之间的传播。在此基础上，可以进行稳态和瞬态的热应力分 析，分析过程可以综合考虑热载荷和外载荷的影响，另外可以进行相变温度场分 析，可以解决如冻结法施工等土木领域的热传导和热力学难题。 2. 10 声场分析 Abaqus 的声学分析的功能可以对建筑结构等的噪声响应和传播进行分析，并 为如体育场馆、音乐厅、歌剧院等 建筑结构的优化设计提供依据。 Abaqus 包括线性声学单元和二次 声学单元，结构-声学界面耦合单元 和声学无限单元。Abaqus 还包含针 对声学问题的特殊边界条件，如各 种反射边界条件，以及平面，圆或 椭圆面上的无反射边界。 2. 11 子模型和子结构 为了提高计算速度，用户可以先使用粗大的网格分析整体模型，再细致构造 局部模型并重新划分精细网格进行详细的分析，这个精细的局部模型称为子模 型；Abaqus 可以从整体分析中得到子模型的边界。利用子模型可以在不增加整 - 13 - 个模型复杂性和计算量的前提下获得结构中特定区域更为准确的结果，也可用于 研究局部结构的变化情况。 同样，把部分结构等效为一个独立单元（超单元，又称子结构），可大大节 省求解运算时间或提高建模效率，这就是子结构。 对于大型土木问题，可以充分利用以上子模型和子结构功能来达到及节省计 算时间又提高计算精度的目的。 2. 12 二次开发 用户子程序：Abaqus/Standard 里一共有 45 个用户子程序；Abaqus/Explicit 里一共有 4 个用户子程序，这些用户子程序可以提供各种复杂功能，如进行单元 二次开发，材料二次开发，复杂荷载的施加等等几乎含概了有限元分析过程中的 各个部分。 GUI 界面二次开发：利用通用语言 PATHY 允许用户随意更改 Abaqus 界面， 方便的实现用户化界面。 2. 13 土木领域其它功能 节点自由度释放功能（Release）能方便改变梁与梁之间的连接关系，网格化 梁截面功能（Meshed beam cross-sections）能生成复杂的 梁截面等等；施加预应力功 能（Pre-Section）可以方便 的施加结构的预应力，如预应力钢筋、预应力桥梁、预应力锚杆等等；多点约束 功能(MPC)可以解决复杂的建筑结构约束连接问题，网格自适应及网格加密功能 - 14 - 能解决土体大变形及精度问题等等。 - 15 - 第三章 Abaqus 在建筑工程中的应用 随着国民经济的发展以及我国改革开放的深入，土木行业也得到了前所未有 的发展，目前建筑物不仅越来越高大，而且越来越美观、结构越来越复杂，同时 又给结构设计带来了巨大挑战，对复杂建筑结构做静、动力计算已经变得必不可 少，Abaqus 在建筑结构行业也得到广泛应用，以下是其具体应用实例。 3．1 高层建筑结构的振型分析 模态分析是所有动力学分析最基本的，模态分析是用来确定结构振动特 性（自然频率、振型、振型参与系数）的一种技术。模态分析具有如下好处：使 结构设计避免共振或以特定频率进行振动；使工程师可以认识到结构对于不同类 型的动力载荷是如何响应的；有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时 间步长）。由于结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷响应情况，所以模 态分析也是其它更详细的动力学分析的起点，例如瞬态动力学分析、谱分析等。 结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，在准备进行其它动力分 析之前首先要进行模态分析。 Abaqus 提供了三种求解振型的方法：Lanczos、Subspace 和 AMS 三种方法， 三种方法各有优缺点，分别实用于规模较大，频率提取多的结构和规模小，频率 提取少的结构。特别是 AMS 方法有比 Lanczos 方法 8 倍左右的提高 下图是某高层建筑的振型图。 - 16 - 一阶振型 二阶振型 三阶振型 四阶振型 3．2 高层剪力墙弹塑性动力分析 2002 年以后，随着建筑行业新标准的正式实施，对建筑结构的弹塑性分析要 求最终被正式地写入行业规范之中。 为满足结构的二阶段设计抗震设防要求，各地有大量的超高层建筑或标志性 工程被要求进行弹塑性分析，以保证这些建筑物在发生数百年一遇的罕遇地震时 - 17 - 仍能保证足够的承载力，不至于造成过大的生命和财产损失。 由于中国国情的特殊性，我国的 50m 以上高层建筑大量采用混凝土剪力墙作 为抵抗风荷载和地震力的主要受力构件。 混凝土剪力墙是一种典型的弹塑性构件。在弹性阶段的分析中，一般忽略其 塑性特性，按弹性壳单元计算，细分后的壳单元大小一般为 1～2m，按每个节点 6 个自由度计算，一栋 70m 高的剪力墙高层结构便可达到数万个自由度的计算规 模。 下图是某高层建筑剪力墙弹塑性分析结果。 剪力墙结构抗震分析 3．3 框架结构地震响应分析 为满足结构的设计抗震设防要求，各地有大量的超高层建筑或标志性工程被 t=6 秒 2 轴拉裂 t=6.1 秒 5 轴压屈服 t=6.1秒 4轴拉裂, 2轴拉裂抗 展至二层 t=6.7 秒 3 轴压屈服 t=6.9 秒 右筒压屈服, 失去 90%刚度和强度 t=9.2秒 全部筒压屈服, 失去 90%刚度和强度 ➁ ➄ ➁ ➃ ➂ ➁ - 18 - 要求进行弹塑性分析，以保证这些建筑物在发生数百年一遇的罕遇地震时仍能保 证足够的承载力，不至于造成过大的生命和财产损失。 针对动力学问题，尤其地震响应，Abaqus 既采用隐式动力学算法，同时也可 以进行显式动力学分析，在时域内对结构的响应问题进行分析。 下图分别是上海现代设计院和广州数力工程顾问有限公司所做的世界第二、 中国第一高层建筑——环球金融中心，CCTV 大厦、广东省博物馆和某高层结构 的地震响应分析结果。 上部结构非线性地震响应分析 3．4 沥青混凝土结构开裂分析 沥青混凝土是一种脆性材料，如果结构本身有些比较大的裂纹，那么在受力 过程中裂纹很容易扩展，下图是某大学分析得到的混凝土裂纹扩展及实验结果极 有限元模型 地震响应 （放大系数 200） - 19 - 其对比。 有限元仿真结果 试验结果 试验结果与仿真结果对比 - 20 - 第四章 Abaqus 在岩土工程中的应用 地下工程及深基础工程的建设安全与质量、施工环境保护，是城市建设者应 优先考虑的问题。岩土介质本身非常复杂，如岩土的结构、孔隙、密度、应力历 史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等。A BAQUS可以很好地模拟岩土的力学 性能及对岩土工程的各个方面进行模拟包括非线性应力- 应变关系、瞬态固结、 稳态渗流、井点降水、土体液化分析、施工过程、岩土的应力- 变形与稳定性、 边坡应力及稳定性、边坡和硐室锚固效应分析、路基、底座、深基坑、桩等的承 载能力与沉陷分析、土体流变、混凝土徐变、土体与钢筋混凝土道路主体间的相 互作用、锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构与岩土和混凝土 在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟，以下是几个典型应用实例。 4．1 隧道开挖问题 移除衬砌、回填单元并施加地应力 施加重力 – 平衡地应力 温度升高到1摄氏度 顶部、中部喷浆 顶部开挖 开挖之后 顶部、中部喷浆 中下部开挖 中部喷浆并回填 底部开挖 中部、底部喷浆 温度升高 2 度 - 21 - 1 小时后 1 天后 一星期后 工程结构总是按照一定的操作顺序施工的，控制条件不一定是施工结束时， 而往往在施工过程中。岩土工程分析要动态地模拟施工过程中结构形体的变化、 材料的演变、约束与外载荷条件的改变等。这是与材料非线性、几何非线性或边 界非线性而不同的一种非线性，只能用计算过程的模拟才能体现出来，也就是说 岩土工程分析应当是一种动态的过程分析，只有进行过程分析，其结果才是合理 的。 4．2 非饱和膨胀土的开挖问题 岩土工程分析往往涉及到固体介质和流体的相互作用，所以要引入有效应力 来更明确地描述固体骨架的受力状态。由于将固体骨架与孔隙流体的渗透同步考 虑，不仅需满足平衡方程，物理方程和几何方程，还需考虑有效应力原理和连续 方程，必要时进行考虑渗流场、应力场、温度场、化学场等多场耦合的分析。 地球表面很大一部分处于干旱或半干旱地带，因此，工程中遇到的土大多数 处于非饱和状态，湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土和人工填土等都是典型的非 饱和土。非饱和土是固-液-汽三相复合介质，其工程性质十分复杂，是 20 世纪 90 年代以来国际学术界关注的热点之一。在一系列的工程问题中，涉及到有效 应力、变形、水运动、堤坝渗流变形、油气开采、煤层内瓦斯渗流、地基的蒸发 固结和降雨入渗的滑坡等问题，这些问题一般都必须考虑水、气两相流体流动和 固相变形之间的相互作用。因而，研究非饱和土的流-固耦合问题具有重大理论 和实际意义。 饱 和 度 随 时 间 变 化 - 22 - 1 小时后 1 天后 一星期后 1 小时后 1 天后 一星期后 1 小时后 1 天后 一星期后 孔 压 随 时 间 变 化 水 平 位 移 随 时 间 变 化 空 隙 比 随 时 间 变 化 膨胀土开挖 4．3 施工过程对环境的影响 本课题的研究以北京地铁十号线一期工程国贸站作为工程背景，研究地铁车 站施工过程中支护结构、围岩和近邻重要环境对象（譬如桥基、管线、建筑物等） 的力学响应和安全控制，为国贸站的动态设计和动态施工管理提供理论依据和指 导，为国贸站的施工安全提供技术保障和科学决策。 国贸地铁车站工程具有开挖跨度大、临时支护和工法转换频繁、时空效应显 著、地质条件复杂、边界环境条件限制严格、施工难度和风险极大等特点。国贸 - 23 - 站建设中的工程问题具有材料非线性、几何非线性、边界非线性、时空效应等特 点。因此，给问题的求解带来了极大的困难，而这些问题的解决在理论上属于学 科前沿，反映学科交叉，因此，针对国贸站展开相应的研究，具有重要的现实意 义和学术价值。鉴于 Abaqus 软件对地下工程问题的良好适应性，因此，在研究 过程中主要应用 Abaqus 软件来进行相关的研究工作。 施工完成时塑性区分布 施工完成时桥桩基的变形 4．4 边坡稳定的剪切带计算 应变局部化现象在岩土工程中大量存在，最为典型的就是土体失稳时形成的 剪切带。剪切带形成的研究对于评价土工结构物的安全性和稳定性等问题具有重 要意义。剪切带现象的本质是材料的不稳定性，材料不稳定研究中的一个十分重 要的问题是多尺度和标度律的问题。在材料发生不稳定性时，不同的物理过程， 不同的微－细观结构，在某个时间尺度内，将以其特有的动力学行为，在某个特 征尺度上表现自己，它对计算力学构成了严重的挑战。 、 - 24 - 100 单元网格塑性区分布图 200 单元网格塑性区分布图 4．5 降雨入渗条件下非饱和土边坡分析 地球表面很大一部分处于干旱或半干旱地带，因此，工程中遇到的土大多数 都处于非饱和状态，湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土和人工填土等都是典型的 非饱和土。非饱和土是固－液－气三相复合介质，其物理性质较复杂。降雨入渗 是一种典型的非饱和流固耦合现象，需要研究雨水入渗的瞬态渗流场、土坡变形 以及各种边界条件的影响。分析非饱和流固耦合过程要考虑多因素控制方程，并 求出各种边值问题的解。探讨渗流－变形耦合场来研究降雨入渗滑坡，是目前环 境地质灾害和岩土工程需要展开的工作。 水平位移变化等值线 /mm 垂直位移变化等值线 /mm 降雨 72 小时位移变化等值线 水平位移变化等值线 /mm 垂直位移变化等值线 /mm 停雨 72 小时位移变化等值线 - 25 - 4．6 节理材料的边坡稳定性分析 岩石是一种非常复杂的材料。其材料属性不光表现高度非线性，而且由于节 理的存在表现各向异性。Abaqus 在分析岩石方面不仅提供了岩石的塑性属性， 而且提供了其节理属性，能够比较真实的模拟岩石材料的受力力学特性。 节理材料的边坡稳定性分析 4．7 边坡稳定性分析 Abaqus/Standard 对于象边坡稳定分析这样的高度非线性问题，可以直接计 算出边坡稳定的安全系数，而 Abaqus/Explicit 是优良的显式求解器，可以动态 模拟安全系数小于 1的边坡滑坡的整个过程。 下图是 Abaqus/Standard 得到的某边坡打锚管与否的结果对比。 等塑性应变的比较 - 26 - 屈服因子（表征屈服的程度） 同样，Abaqus/Explicit 还可以对土体结构滑坡过程的进行模拟，下图给出 了某边坡的滑坡过程某时刻的等效塑性应变情况。 4．8 石油隧道壁的侵蚀 原油在开采过程中，内部通常有些细小砂石，这些砂石具备一定的速度，它 们和传输管道的内壁相互作用，会对管道内壁进行磨损，Abaqus 提供的 Umeshmotion 功能可以对这类问题进行模拟，得到管壁被侵蚀的程度。 下图是 侵蚀前后的应力对比。 - 27 - - 28 - 第五章 Abaqus 在桥梁工程中的应用 桥梁结构涉及几何非线性问题，这种非线性是由于大位移、弯矩和轴力之间 的相互作用而产生的，任何一个实际的工程问题都希望能根据设计方案，从理论 上、计算上以及试验上对其进行校核，将方案做得更经济实用，风险降到更低。 对于设计之后的分析，用于设计的近似方法已经不能提供足够的精确度，我们必 须建立准确的模型，借助计算机精确地分析结构。Abaqus 在桥梁施工，桥梁动、 静力计算上具有独特的优势，如桥梁的应力分布、变形情况、自振频率、振形、 地震响应特征、失稳特征等等。 5．1 桥梁施工过程模拟 在桥梁施工方面 Abaqus 提供了单元生死（Model Change）、钢筋混凝土材料 属性以及钢筋预紧力等功能。下图是某大桥施工过程的模拟。 - 29 - 桥梁施工过程模拟 5．2 桥梁模态分析 Abaqus 提供了三种求解振型的方 法：Lanczos 方法、Subspace 方法及 AMS(自动多重子结构)方法，三种方法 各有优缺点，Lanczos 方法实用于规模 较大，频率提取多的结构，Subspace 方法实用于规模小，频率提取少的结构。 AMS 方法是 Abaqus6.6 新增加的模态提取方法，该方法计算速度远远超过前两 种方法。右图桥梁长 140m，高 80m。其一阶和四阶振型如下图所示。 一阶振型 四阶振型 桥梁模态分析 - 30 - 5．3 美国金门桥地震响应分析 Abaqus 有功能强大的显式求 解器，下图是利用 Abaqus 显式求 解器对美国金门大桥做的地震响 应分析。 5．4 重庆荆沙长江斜拉桥结构三维仿真 位于湖北省荆州市的荆沙长江公路大桥南汊通航孔主桥如下图所示，主跨布 置成 160+300+97m，桥梁全长 557m，下图分别是利用 Abaqus 对该桥做的施工 过程模拟、结构动力响应及地震响应分析结果。 模型图 1．有限元模型和施工过程模拟 桥梁施工是一个逐级加载的过程，Abaqus 可以通过 Mode Change 这个功能 实现逐段加载，下图给出了重庆荆沙长江斜拉桥从桥墩处逐段加载后合龙的情 况。 - 31 - 2．结构线性动力响应分析 为使桥梁能够经受 地震、风振，现代设计 中动态分析是必不可 少 的 的 部 分 ， Abaqus/Standard 提供 了模态分析，频率响应 分析、谱分析，谐响应 分析等多种线性动力 分析过程方法。右图是 荆沙长江大桥某阶振型。 3．地震响应时程仿真和分析 为更深入地研究该结构的 地震特性，将地震记录输入到 模型中看其响应情况，计算 中，将 EI-Centro 地震波作为 加速度加载到桥墩上，得到某 时刻的桥梁位移情况如图所 示。 - 32 - 第六章 Abaqus 在水工中的应用 Abaqus 对于模拟诸如大坝等建筑物的力学行为具有强大的优势，可以对这些 结构的稳定性和应力状态进行分析计算，并且可以进行防渗计算。在计算中可以 考虑水压力、温度场、渗流场、重力场作用以及温度场和力场、渗流场和力场的 耦合。 6．1 土坝施工、快速降水及抗震分析 当土体的坡度小于一定值时，土坝的结构取决于土体保持稳定的能力。但是 在一定的载荷情况下，土体的稳定性要做折衷处理，在设计过程中要考虑到这些 载荷情况。 1． 问题描述 该大坝是二维模型，即假设为平面应变情况。大坝从地平面起算的高度为 55 m，底部宽度为 245.2 m。向上变窄，顶部宽度为 12 m。大坝的中间粘土芯体底 部宽度为 28 m，向上变 窄，顶部宽度为 6 m。 大坝的基础置于地水准 平面以下 10 m，基础位 于 10.667 m 厚的风化岩 石层上，覆盖在坚硬的岩 - 33 - 石基础上。基于分析的目的，我们可以假设坚硬的岩石延伸到地水准平面以下 90 m，并且在模型上施加这个深度的相应的边界条件。基础、风化岩石和坚硬岩石 的整体宽度设定为 550 m，并且在这个位置上施加模型垂直边缘的相应的边界条 件。 1． 施工模拟 分析过程：在第一阶段，去掉大坝各单元，将岩石层在地压或重力作用下的 变形进行建模。在每个阶段加入新的填筑层。为了简化分析，假设每层在重力作 用下的变形较小，下一层可以按未变形的形状加入到分析中。在填筑每一层时可 以进行瞬时固结分析。 施工过程 Step 1 Step 2 Step 4 Step 3 - 34 - Step 3 的 Mises 应力 2． 蓄水模拟 所有三层构筑完成后，水坝分三个阶段蓄水：第一阶段，蓄水深度为地水准 平面以上 21 m；第二阶段，蓄水深度为地水准平面以上 40m；第三阶段，蓄水 深度为地水准平面以上 50m；每一阶段需要 30 天 ；蓄水结束后的稳态过程 蓄水结束后稳态孔压分布 3． 快速降水模拟 分析水库中的水在 7 小时内全部放干，土坝的应力、孔压等的变化情况。 - 35 - 水位快速下降后的孔隙压力分布 4． 抗震模拟 相对于典型的孔隙水的渗透来说，地震发生在非常短暂的时间内。所以，在 地震期间小孔压力的再分布可以忽略掉。 因为地震的载荷是动态的，所以应该考虑全部的惯性力，包括土坝内孔隙中 流体和水库中水的影响。在本分析中，要考虑大坝内孔隙中水的惯性力，但水库 中水的惯性力在分析中不予考虑。对于大坝内孔隙中的流体，只有低于侵润线以 下的流体包括在惯性力内。包括这些惯性力，这里计算位于土体内节点上的用户 定义单元的点网格，还包括动态分析中的单元的影响。 土坝地震响应分析液化区域判断 - 36 - 6．2 柯依纳（Koyna）重力坝抗震分析 坝基尺寸长为 103m，宽 71m，当地发生地震时，水库的水位为 91.75m。采 用 Abaqus 对该坝在实测的地震加速度作用下的结构响应分析，采用混凝土损伤 塑性材料模型，分析结构的稳定性和任意载荷作用下结构的破坏情况。 混凝土坝地震响应损伤分析 水平方向峰值响应 6．3 水坝的稳态渗流和应力分析 该问题中讨论的是位于岩石基础上的混凝土大坝，坝高 30m，取岩体基础深 30m，在 30m 的深处为不透水边界。 短期变形 短期塑性应变 - 37 - 长期变形 长期孔隙压力 6．4 水力劈裂仿真分析 Abaqus 提供了带孔压自由度的粘结单元。可以模拟土体因为水压过大而被劈 裂的过程。下图给出了土体初始情况及压裂后土体的裂缝。 - 38 - 第七章 Abaqus 在其它领域中的应用 7．1 内部高温下的容器变形模拟 类似油罐等结构在实际应用中常常需要考虑极限载荷或灾难性载荷作用下 的变形。Abaqus 可以保证结构失稳时很好的收敛性。 12 3 12 3 - 39 - 7．2 预应力混凝土安全壳分析 该项目由美国核管理委员会（NRC）和核动力工程公司（NUPEC）组织并资 助，用于研究核容器在超过设计压力时的性能。该项目包括几个阶段，其中一个 阶段是将预应力混凝土压力容器（PCCV）结构内压加到失效状态，在 55 个标准 的输出位置预计变量的演化过程。核容器设计压力 : 0.39MPa; 线性增加到 0.78MPa; 高度非线性 (开裂): 0.78MPa 到 1.4MPa。Abaqus 拥有复杂的混凝土 损伤模型，灵活的 Rebar 单元模拟钢筋，高精度非线性求解，对大规模三维模型 进行并行计算等功能来完成该项目的模拟。参加该项目的单位列表如下，大部分 用户选择了 Abaqus 作为分析工具。 Organization Country Code Atomic Energy of Canada Limited (AECL) Canada Abaqus Argonne National Laboratory (ANL) United States Neptune Comissiariat à l'Énergie Atomique (CEA) France Castem 2000 Électricité de France (EDF) France Aster University of Glasgow United Kingdom In-house code Health and Safety Executive (HSE) United Kingdom Abaqus Nuclear Safety Institute (IBRAE) Russia CONT-2D &3D Institute of Nuclear Energy Research (INER) China Taiwan Abaqus Institut de Protecction et Sûreté Nucléaire (IPSN) France Castem 2000 Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) Japan Abaqus The Japan Atomic Power Company (JAPC) Japan FINAL Korea Institute of Nuclear Safety (KINS) Korea DIANA Korea Power Engineering Corporation (KOPEC) Korea Abaqus Nuclear Power Engineering Corporation (NUPEC) Japan Abaqus PRINCIPIA Spain Abaqus Russia Int. Nuclear Safety Center (RINSC) Russia DANCO Sandia National Laboratories/ANATECH United States Abaqus - 40 - 7．3 核电站地震响应分析 俄罗斯 Atomenergoproekt 研究所使用 Abaqus 有限元软件模拟核电站在地震 载荷、空气爆炸、飞行器碰撞等特殊动力冲击下的响应谱，确保结构的安全性。 由于核电站结构存在复杂的振动模态形式，采用三维有限元的计算结果比原来采 用的基于梁理论的分析方法更加贴近实际。Abaqus/Standard 有完整的频域动力学 解决方案，包括：自振频率提取，模态动力学，基于模态和直接积分的稳态动力 学分析，随机响应分析，响应谱分析等等。以上所有分析可以基于线性或者非线 性的状态进行（如考虑结构预载荷的频率提取分析），通过 step by step 的分析方 法来实现多步骤的分析。结构基础的位移，速度或加速度可以设置成随时间变化 （模态动力学）或随频率变化（稳态动力学）。配合 Abaqus/Explicit 时域动力学 的分析方法，可以为该类振动和冲击问题提供完整的解决方案。 PCCV 1/4比例模型结构失效时场景 1.52 MPa内压力时结构变形 的分析结果 - 41 - - 42 - 第八章 Abaqus/Aqua 简介 Abaqus/Aqua 是美孚石油公司同 Abaqus 公司合作开发，该模块的一系列功能 可以附加在 Abaqus/Standard 上应用。该模块能够模拟海上结构，例如海洋石油 平台或立管。其中某些功能包括模拟波浪、风载荷及浮力的影响。 Abaqus/Aqua 拓 展 了 Abaqus/Standard 在 海洋工程中的应用。它包括海洋平台 导管架和立管的分析、 J 形管的拖 曳模拟、底部弯曲计算和漂浮结构的 研究。结构可以承受由稳定流和波效 应引起的拖曳力、浮力和流体惯性载 荷。还可以为自由水面以上的结构施 加风载。 Abaqus/Aqua 与 Abaqus/Standard 其他的功能兼容，同时可以考虑静 力、动力或频率分析中的线性和非线性效应。 8．1 Abaqus/Aqua 功能简介 Abaqus/Aqua 具有以下一些功能： 1． 周围介质 1） 流体分布 用户提供流体密度和引力常数，同时需要提供稳态流速度 与相对海床的位置和高度的函数。 2） 波的分布 可以通过分析过程中计算的流体粒子速度、加速度和动力 - 43 - 学压力，可以定义重力波。同时包含 Airy （线性）波理论和 Stokes 5 阶 理论。 Airy 理论允许任意数量的波列沿不同的方向传播。单个波列用 于 Stokes 非线性理论，适合于模拟深水或大浪的情况。另外，可以直 接在固定的网格上指定波速、加速度和动力学压力，然后通过线性或二 次插值得到感兴趣点的相应的值。用户还可以通过用户子程序，将其他 类型的波载施加到结构当中。 3） 风的分布 因为 Abaqus/Aqua 纪录自由表面的高度，而且还允许结 构的部分浸没，所以风载只对结构暴露在空气中的区域有效。用户可以 指定风速的分布，用于计算梁、管道和一维刚体单元的载荷分布。风的 分布在水的自由表面以上的部分以指数函数的形式沿高度变化。在水平 面上，风不发生变化。 2． 载荷 除了 Abaqus/Standard 提供的载荷形式（重力载荷、静水压力等等）， Abaqus/Aqua 为部分或全部浸 没的结构提供特定的载荷库。 用户可以指定那些单元承受那 些类型的载荷，比如浮力或拖 曳力。基于单元的几何形状、 流体属性、稳态流、波的形式和风速的分布，程序将自动确定载荷的大 小和方向。 1） 拖曳载荷 利用 Morison 方程计算拖曳载荷。流体和风都可能在结 构上产生拖曳载荷。流体表面之下的稳态流和波荷载引起流体拖曳力， 它同时具有横向和切向的贡献；风载施加于结构在洋流表面之上的部分， - 44 - 只具有横向作用。在流体和结构之间，切向和横向的作用力同相对速度 的平方成比例。 2） 浮力载荷 基于外露表面与垂直方向的取向计算浮力。默认情况下， 提供封闭端条件。浮力可以用于梁单元、管道单元和弯管单元，还可以 施加到刚体的表面用于研究浮动结构，比如张力腿平台和海船。拖曳力、 浮力和点载荷可以施加于刚梁。可以得到刚体参考点瞬时的全部垂直载 荷、剪力和翻转弯矩。当浮力载荷同波分布同时施加时，由静止表面干 扰引起的动力学压力被添加到静水压力，用于计算总体浮力载荷。 3） 惯性载荷 惯性力是基于管道和周围流体相对加速度而引入的附加质 量的贡献。拓展 Morison 拖曳方程，允许用户分离从稳态流引起的部分 拖曳载荷和从波引起的部分拖曳载荷，然后在单个分析中独立地施加这 些载荷。频率分析可以包含这些附加质量效应。 3． 附加特征 1） 锚链 锚链用于海床管道的安装。它的重力与连接管道的漂浮设备的 浮力平衡。 Abaqus/Aqua 中，锚链被理想化为通过悬链线与管道相连的 管道固定支座，适合于模拟管道的运动比锚链长度大很多的情况。 2） 各项异性海床摩擦 在分析管道直接位于地面或海床上的响应时，摩 擦的影响将非常重要。阻碍管道横向运动的阻力大于平行于管道方向的 阻力。各项异性摩擦模型可以分析这种效果。海床较软的自然现象可以 通过在刚体表面使用软接触表面行为恒容易的模拟。 3） 桩脚连接单元 桩脚连接单元利用等效的弹塑性响应，近似的模拟某 些海洋平台结构土壤 - 结构的接触。 4） 筒体结构的滑动线 通过 在其它的管道中拉伸管道，将管道从海床 - 45 - 提升到海面。 Abaqus/Aqua 具有专门模拟 J 形管拉伸的单元。 5） 自升式钻塔底座分析 利用特殊的单元模拟桩脚和海床的弹塑性接触 6） 缆绳单元 在底部弯曲分析中，通过缆绳在海床上拖动管道。 8．2 Abaqus/Aqua 应用实例 1．海底管线的铺设分析 该算例充分考虑了船体的水浮力、波浪对船及管线的冲击力等等，通过分析 可以得到管线的弯曲应力，与海底的接触点等。 - 46 - 2． 海底管桩的压入过程分析 桩的压入过程比较复杂，下图是利用 Abaqus/Aqua 模块得到的桩的压入过程 塑性应变的结果。