版主案例丨隧道開挖實(shí)例（一）——標(biāo)準(zhǔn)隧道開挖模擬【轉(zhuǎn)載】

2016-11-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

感謝“bananaliuchao”分享“隧道開挖實(shí)例(一)——標(biāo)準(zhǔn)隧道開挖模擬”

2016/08/24 update:

有些寶寶反映說CAE無法正常運(yùn)行。這主要有兩個(gè)原因:

1. 文件中考慮了兩種初始的開挖狀態(tài),一個(gè)是從邊界就開始一環(huán)環(huán)開挖,另一個(gè)是從第15環(huán)開始一環(huán)環(huán)開挖(為了消除邊界的影響)。寶寶們根據(jù)自己的需求,在Interaction里面進(jìn)行修改就是了,有點(diǎn)動(dòng)手能力好不好哇~

2. 為了考慮注漿硬化等因素,還需導(dǎo)出inp文件進(jìn)行修改,這個(gè)后續(xù)小胖會(huì)專門做一個(gè)教程。我放CAE的目的只是為了大家在建模的時(shí)候有個(gè)參考哇~包括每一步的設(shè)置等。

還有寶寶問這么多分析步還有set還有model change還有荷載的施加,一個(gè)個(gè)弄不累死了。小胖說:當(dāng)然不可能!Python給了你是玩的嗎?當(dāng)然要用Python進(jìn)行參數(shù)化建模啦!后邊我會(huì)講一些建模中有用的命令,敬請(qǐng)期待。

正文開始

小胖讀博的前幾年凈跟有限元開挖模擬較勁了。想當(dāng)年客串救火隊(duì)員的時(shí)候,也是一個(gè)月內(nèi)上手ABAQUS并拿出項(xiàng)目報(bào)告,每天沒事就翻Simwe和幫助文件,現(xiàn)在想想也是蠻拼的。

正題開始前,說句題外話。ABAQUS雖然好,但水比較深。淺嘗輒止的學(xué)習(xí)很難在實(shí)際工程中得到滿意的分析結(jié)果。如果時(shí)間比較緊,推薦使用Plaxis和Midas。

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好吧,那我們開始吧。

話說有限元模擬隧道開挖有好多種方法。有應(yīng)力釋放法(手賤想加參考文獻(xiàn)了....),收斂位移法,以及“什么亂七八糟的因素都考慮”的方法,etc。目前大家最喜歡用的是最后一種方法。這種方法最早始于2004年左右發(fā)表的一篇文章(還是不加參考文獻(xiàn)了),基本是伴隨著商軟的發(fā)展和可視化技術(shù)的提高而逐漸發(fā)展和流行的。前面兩種方法也有其市場,小胖會(huì)在以后擇機(jī)為大家總結(jié)一下。今天我們主要討論最后一種方法。先放張隧道開挖的示意圖鎮(zhèn)樓,以盾構(gòu)隧道為例。

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有經(jīng)驗(yàn)的寶寶一眼就能看出隧道開挖模擬的實(shí)質(zhì)——就是應(yīng)力釋放和支護(hù)的過程。因此,大名鼎鼎的“單元生死法”就出現(xiàn)了。其實(shí)這個(gè)技術(shù)只是名字唬人,我們來看看ABAQUS的幫助文件怎么說的:

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具體代碼是怎么個(gè)方法實(shí)現(xiàn)的,小胖沒在達(dá)索工作過,母雞啊~~~

該方法中土體的開挖、盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn),襯砌及注漿層的激活都是通過model change來實(shí)現(xiàn)的。CAE中可在interaction中進(jìn)行設(shè)定,inp中通過“*model change, type = element”實(shí)現(xiàn)。一個(gè)簡單的模擬過程如下圖所示。

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上面就是一個(gè)典型的盾構(gòu)隧道開挖模擬的過程,目前是最廣泛采用的模擬方法?；蛟S有一些變種,比如考慮了盾構(gòu)機(jī)的錐度,注漿的時(shí)空效應(yīng)等,但都大同小異。

下邊以上海長江西路隧道浦東試掘進(jìn)段為背景,簡單說一下模擬的過程和需要注意的地方。

(一)幾何及網(wǎng)格

小胖從ABAQUS 6.5一直用到2016,不得不承認(rèn),其CAE界面越做越好,bug越來越少。但說實(shí)話,網(wǎng)格的劃分方面并沒有太大的進(jìn)步。似乎達(dá)索也并沒有發(fā)展這方面的打算。畢竟網(wǎng)格劃分方面HyperMesh已經(jīng)是一個(gè)bug級(jí)的存在,而其他專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件如Cubit、Gambit等也隨便爆ABAQUS一整條街,這方面除了收購,估計(jì)也沒別的好辦法了。

小胖習(xí)慣使用ABAQUS+HyperMesh+ABAQUS流程,即在ABAQUS生成模型的幾何文件,推薦使用igs格式,將幾何文件導(dǎo)出至HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。然后將網(wǎng)格信息以inp文件的格式由HM導(dǎo)出,然后ABAQUS導(dǎo)入,最后裝配至一個(gè)Assembly。這只是個(gè)人習(xí)慣,寶寶們在生成幾何文件時(shí)也可以使用AutoCAD、Catia等。

導(dǎo)入網(wǎng)格的模型在ABAQUS中屬于Orphan類型,無法使用很多針對(duì)幾何的python命令。在選擇surface時(shí),推薦大家采用by angle模式,可以大大提高建模效率。小胖已為大家附上模型的HM文件以及CAE文件(6.12版本),大家可以按照文章開頭的方法獲取。下圖為生成的模型概況。

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(二)材料參數(shù)

模型土體采用修正劍橋模型。關(guān)于修正劍橋模型的相關(guān)內(nèi)容,寶寶們可以參考小號(hào)的歷史文章,已經(jīng)比較詳細(xì)了。需要注意幾點(diǎn):

1. 模型中盾殼(shield)簡化為一個(gè)鋼殼子,為了考慮整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的重量,人為增加了該材料的密度,見下圖

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2. 個(gè)別土層為砂性土,因此采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,所以初級(jí)寶寶們千萬不要再問“一個(gè)模型中能不能用不同的塑性本構(gòu)呀”這種中二問題了。

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3. 為了考慮注漿層的凝固過程,采用了場變量的方法調(diào)整注漿單元的彈性模量,見下圖。后期在inp文件中,需要在漿液硬化的那一步添加關(guān)鍵字“*field, variable=1”,具體的操作方法,寶寶自行百度,一搜一大坨。

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4. 由于shield采用了殼單元,而網(wǎng)格又是從HM中導(dǎo)入的,因此需要特別檢查殼單元的厚度方向是否一致,如下圖所示可以顯示出shell單元的厚度

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(三)裝配

如果采用修正劍橋模型,需要定義初始地應(yīng)力,而初始地應(yīng)力的定義一般有兩種方式,即CAE中predefined field定義,以及input文件中采用“*initial condition, type=stress, input=xxx.csv”。不論哪種定義方式,都默認(rèn)z方向?yàn)樨Q向地應(yīng)力的方向,因此寶寶們要養(yǎng)成在assembly中將模型整體旋轉(zhuǎn)至z軸豎向的方向。先Convert Constraints,然后就可以Rotate啦~

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(四)分析步

1. 分析步推薦采用Soils,考慮孔壓,采用C3D8P單元。注意,小胖在文章末尾給出的文獻(xiàn)中說(當(dāng)然是我自己寫的,你們在想什么~~~~!)大變形分析和小應(yīng)變分析結(jié)果差不多。這在分析隧道施工擾動(dòng)時(shí)是適用的,但在分析極限狀態(tài)時(shí)(e.g. 開挖面失穩(wěn),邊坡失穩(wěn))絕對(duì)不能再用small strain分析,就是下邊圖中的那個(gè)Nlgeom,off就是small strain啦。請(qǐng)寶寶們切記切記。

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2. 如果你打算用Geostatic分析步,恭喜,你上道了。但注意下圖中的設(shè)置。依據(jù)小胖的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的隧道開挖,幾何簡單,采用1e-5的位移準(zhǔn)則是可以的。但如果比較復(fù)雜的模型,寶寶們也不要太吝嗇,放寬到0.5 mm以下也是可以的。畢竟我們玩的是大尺度模擬,半個(gè)毫米都不一定能測得出來。在平衡地應(yīng)力的過程中,Automatic和Fixed可以交替嘗試一下。注意,Automatic只有100個(gè)increment,因此如果100到了還沒平衡好,寶寶可以在上次計(jì)算的應(yīng)力基礎(chǔ)上再平衡一次。

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(五)荷載和接觸

1. 荷載沒什么好說的,重力,支護(hù)力,注漿壓力。其中,開挖面支護(hù)力一般是沿深度線性變化,可以參考下圖設(shè)置。邊界條件不說了,如果哪位寶寶還不會(huì),出門左轉(zhuǎn)淘寶當(dāng)當(dāng)買本書看兩眼就行了。

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2. Predefined field。這是一個(gè)比較重要的設(shè)置。以前CAE是不care你初始狀態(tài)定義的。后來學(xué)乖了。在這里,你可以設(shè)置初始孔隙比、初始孔壓、初始地應(yīng)力,都是很基礎(chǔ)的設(shè)置。這里有一個(gè)比較方便的平衡地應(yīng)力的方法。前文提到Geostatic中Automatic平衡100步有可能搞不定,這時(shí)不要灰心,保持前一個(gè)文件的odb,新建一個(gè)job,在Predefined field中stress進(jìn)行設(shè)置,如下圖

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選擇“從odb文件中”:

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選擇剛才計(jì)算好的odb文件,step應(yīng)該是第一步(1),Increment選擇上一個(gè)job計(jì)算終止的增量步即可。

(六)單元設(shè)置

沒啥好說的。因?yàn)橐r砌單元畫了三層,因此基本可以放心地使用減縮積分單元。注漿層單元只畫了一層,因此采用C3D8I。

(七)后處理

推薦采用python批量提取數(shù)據(jù)作圖。本篇不再贅述。后邊有機(jī)會(huì)小胖會(huì)專門總結(jié)一下,也挺有意思的。

參考文獻(xiàn):

Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield – Case study in Shanghai

這是小胖的一篇論文,沒有權(quán)限的寶寶可以去以下地址下載:

https://www.researchgate.net/publication/260994981_Pile_and_pile_group_response_to_tunnelling_using_a_large_diameter_slurry_shield_-_Case_study_in_Shanghai

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