水泥混凝土路面荷載應(yīng)力有限元分析建模初探

杜國強

(廊坊市交通局材料供應(yīng)處)

1 ANSYS簡介

ANSYS軟件是美國ANSYS公司的產(chǎn)品,是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過 ISO9001質(zhì)量認證的分析設(shè)計類軟件。該軟件能夠進行結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學等學科的研究,廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工等一般工業(yè)及科學研究。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、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?？梢詫@些結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析,從力學計算、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大且方便易用的分析手段。

一個典型的ANSYS分析過程主要包括前處理,加載與求解和后處理 3個步驟。

(1)前處理:指定作業(yè)名和分析標題;定義單元類型;定義單元實常數(shù);定義材料特性,創(chuàng)建幾何模型;對實體模型進行網(wǎng)格劃分。

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

(3)后處理:從計算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù);對計算結(jié)果進行各種圖形化顯示和列表顯示;進行各種后續(xù)分析。

2 剛性路面體系力學計算的理論假設(shè)及其存在的問題

目前,剛性路面應(yīng)力分析和設(shè)計的方法,多數(shù)是以彈性地基薄板為基本力學模型。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,在求解時對板與地基之間的聯(lián)系作以下假設(shè):

(1)在變形過程中,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摩阻力,可以自由滑動,也就是說層間水平剪力為零,地基對板體只有垂直作用。

上述兩項假設(shè)存在一個顯而易見的問題,沒有考慮層間摩阻力,而事實上,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算結(jié)果必然與實際值有差別。

此外,在實際工作中,板下地基是一個多層半空間體,但由于其在數(shù)學計算上的復雜性,多采用地基模量當量換算的辦法簡化多層地基,由此計算出的荷載應(yīng)力也必然與實際值有出入。

3 ANSYS在剛性路面力學中的應(yīng)用

用ANSYS模擬剛性路面體系,采用實體建模的形式,下面介紹模擬地基和剛性路面板力學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

在路面體系力學計算中假定地基在水平方向和深度方向均為無限,而在ANSYS中建立模型時不可能把模型建立為無限大,因此,只能取路面模型的長、寬、深為足夠長,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)和實常數(shù),solid45單元用于三維實體結(jié)構(gòu)模型,共 8個節(jié)點,每個節(jié)點3個自由度:X、Y、Z三個方向。該單元有塑性,徐變,膨脹,應(yīng)力強化,大變形和大應(yīng)變能力,其質(zhì)量矩陣為集中質(zhì)量矩陣,是對角陣,剛度矩陣是對稱的一致矩陣。

也可以把土基的作用簡化為土彈簧,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,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去除相應(yīng)位置的彈簧或鏈桿來模擬地基的脫空。

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、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強鋼筋(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)點等參元solid45單元的基礎(chǔ)上,增加了針對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)點空間實體單元solid45相同的實體單元模型,但是加入了混凝土的三維強度準則;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)格后對重合結(jié)點進行合并和壓縮,Preprocessor/Numbering Ctrls/MergeItems,在隨后的對話框中選擇All進行合并;Preprocessor/NumberingCtrls/CompressNumbers,在對話框中選擇All進行壓縮。

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)部提供了點點接觸、點面接觸、面面接觸等多種接觸模型?？梢杂妹婷娼佑|單元來模擬板與地基之間、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計算中的第二個理論假設(shè)所存在的問題,使計算模擬更接近實際情況。

3.4 邊界約束

對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)點只有豎向位移沒有橫向位移;模型最底部各節(jié)點采用固定約束,既無豎向位移,又無橫向位移,路面板四周無約束。第二種方法可以將路面兩側(cè)的土壓力認為是彈性壓力,路面的底部簡化為彈性地基,均采用三維彈簧單元來模擬。如果模型是對稱結(jié)構(gòu),荷載也是對稱的,可以建立一半模型,以節(jié)省計算機資源。

3.5 加載與求解

輪胎的印跡按規(guī)范應(yīng)取為當量圓形式,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打開的對話框中進行求解設(shè)置,比如荷載步、子步的大小,收斂準則的設(shè)置,是否打開自動時間步等,一般而言,子步越多,精度越高,但是以計算機運行時間的增加為代價。

3.6 后處理

在ANSYS的后處理器中可以查看任何節(jié)點、單元的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外時間歷程分析功能可以對載荷疊加進行分析計算。

4 應(yīng)該注意的問題

(1)一般說來,網(wǎng)格劃分的越密計算精度越高,但是計算工作量也越大,應(yīng)力集中越嚴重,在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位要避免出現(xiàn)過小單元。所以,劃分網(wǎng)格時應(yīng)該兼顧計算精度和工作的經(jīng)濟性,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,以提高計算速度,減少機時。

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

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

(3)正確選擇收斂準則,這是針對非線性求解過程而言的。在ANSYS中可以將收斂檢查建立在力、力矩、位移、轉(zhuǎn)動或這些項目的任意組合上,而且每一個項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量度,而以位移為基礎(chǔ)的收斂僅提供了表現(xiàn)收斂的相對量度。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)動為基礎(chǔ))的收斂檢查,但是通常不單獨使用它們。

隨著計算機技術(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越多地應(yīng)用,這些軟件的出現(xiàn)給路面力學計算帶來了新的突破。

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