搜索版主案例丨隧道開挖實例（一）——標準隧道開挖模擬【轉載】
2016-11-09 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
感謝“bananaliuchao”分享“隧道開挖實例(一)——標準隧道開挖模擬”
2016/08/24 update:
有些寶寶反映說CAE無法正常運行。這主要有兩個原因:
1. 文件中考慮了兩種初始的開挖狀態,一個是從邊界就開始一環環開挖,另一個是從第15環開始一環環開挖(為了消除邊界的影響)。寶寶們根據自己的需求,在Interaction里面進行修改就是了,有點動手能力好不好哇~
2. 為了考慮注漿硬化等因素,還需導出inp文件進行修改,這個后續小胖會專門做一個教程。我放CAE的目的只是為了大家在建模的時候有個參考哇~包括每一步的設置等。
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,一個個弄不累死了。小胖說:當然不可能!Python給了你是玩的嗎?當然要用Python進行參數化建模啦!后邊我會講一些建模中有用的命令,敬請期待。
正文開始
小胖讀博的前幾年凈跟有限元開挖模擬較勁了。想當年客串救火隊員的時候,也是一個月內上手ABAQUS并拿出項目報告,每天沒事就翻Simwe和幫助文件,現在想想也是蠻拼的。
正題開始前,說句題外話。ABAQUS雖然好,但水比較深。淺嘗輒止的學習很難在實際工程中得到滿意的分析結果。如果時間比較緊,推薦使用Plaxis和Midas。
///////////////////////////////程序猿裝逼分割線///////////////////////////////////////
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。有應力釋放法(手賤想加參考文獻了....),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年左右發表的一篇文章(還是不加參考文獻了),基本是伴隨著商軟的發展和可視化技術的提高而逐漸發展和流行的。前面兩種方法也有其市場,小胖會在以后擇機為大家總結一下。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樓,以盾構隧道為例。
有經驗的寶寶一眼就能看出隧道開挖模擬的實質——就是應力釋放和支護的過程。因此,大名鼎鼎的“單元生死法”就出現了。其實這個技術只是名字唬人,我們來看看ABAQUS的幫助文件怎么說的:
具體代碼是怎么個方法實現的,小胖沒在達索工作過,母雞啊~~~
該方法中土體的開挖、盾構機的前進,襯砌及注漿層的激活都是通過model change來實現的。CAE中可在interaction中進行設定,inp中通過“*model change, type = element”實現。一個簡單的模擬過程如下圖所示。
上面就是一個典型的盾構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,比如考慮了盾構機的錐度,注漿的時空效應等,但都大同小異。
下邊以上海長江西路隧道浦東試掘進段為背景,簡單說一下模擬的過程和需要注意的地方。
(一)幾何及網格
小胖從ABAQUS 6.5一直用到2016,不得不承認,其CAE界面越做越好,bug越來越少。但說實話,網格的劃分方面并沒有太大的進步。似乎達索也并沒有發展這方面的打算。畢竟網格劃分方面HyperMesh已經是一個bug級的存在,而其他專業的網格劃分軟件如Cubit、Gambit等也隨便爆ABAQUS一整條街,這方面除了收購,估計也沒別的好辦法了。
小胖習慣使用ABAQUS+HyperMesh+ABAQUS流程,即在ABAQUS生成模型的幾何文件,推薦使用igs格式,將幾何文件導出至HyperMesh進行網格的劃分。然后將網格信息以inp文件的格式由HM導出,然后ABAQUS導入,最后裝配至一個Assembly。這只是個人習慣,寶寶們在生成幾何文件時也可以使用AutoCAD、Catia等。
導入網格的模型在ABAQUS中屬于Orphan類型,無法使用很多針對幾何的python命令。在選擇surface時,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。
(二)材料參數
模型土體采用修正劍橋模型。關于修正劍橋模型的相關內容,寶寶們可以參考小號的歷史文章,已經比較詳細了。需要注意幾點:
1. 模型中盾殼(shield)簡化為一個鋼殼子,為了考慮整個盾構機的重量,人為增加了該材料的密度,見下圖
2. 個別土層為砂性土,因此采用Mohr-Coulomb屈服準則,所以初級寶寶們千萬不要再問“一個模型中能不能用不同的塑性本構呀”這種中二問題了。
3. 為了考慮注漿層的凝固過程,采用了場變量的方法調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鍵字“*field, variable=1”,具體的操作方法,寶寶自行百度,一搜一大坨。
4. 由于shield采用了殼單元,而網格又是從HM中導入的,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
(三)裝配
如果采用修正劍橋模型,需要定義初始地應力,而初始地應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z方向為豎向地應力的方向,因此寶寶們要養成在assembly中將模型整體旋轉至z軸豎向的方向。先Convert Constraints,然后就可以Rotate啦~
(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中說(當然是我自己寫的,你們在想什么~~~~!)大變形分析和小應變分析結果差不多。這在分析隧道施工擾動時是適用的,但在分析極限狀態時(e.g. 開挖面失穩,邊坡失穩)絕對不能再用small strain分析,就是下邊圖中的那個Nlgeom,off就是small strain啦。請寶寶們切記切記。
2. 如果你打算用Geostatic分析步,恭喜,你上道了。但注意下圖中的設置。依據小胖的經驗,對于標準的隧道開挖,幾何簡單,采用1e-5的位移準則是可以的。但如果比較復雜的模型,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,半個毫米都不一定能測得出來。在平衡地應力的過程中,Automatic和Fixed可以交替嘗試一下。注意,Automatic只有100個increment,因此如果100到了還沒平衡好,寶寶可以在上次計算的應力基礎上再平衡一次。
(五)荷載和接觸
1. 荷載沒什么好說的,重力,支護力,注漿壓力。其中,開挖面支護力一般是沿深度線性變化,可以參考下圖設置。邊界條件不說了,如果哪位寶寶還不會,出門左轉淘寶當當買本書看兩眼就行了。
2. Predefined field。這是一個比較重要的設置。以前CAE是不care你初始狀態定義的。后來學乖了。在這里,你可以設置初始孔隙比、初始孔壓、初始地應力,都是很基礎的設置。這里有一個比較方便的平衡地應力的方法。前文提到Geostatic中Automatic平衡100步有可能搞不定,這時不要灰心,保持前一個文件的odb,新建一個job,在Predefined field中stress進行設置,如下圖
選擇“從odb文件中”:
選擇剛才計算好的odb文件,step應該是第一步(1),Increment選擇上一個job計算終止的增量步即可。
(六)單元設置
沒啥好說的。因為襯砌單元畫了三層,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批量提取數據作圖。本篇不再贅述。后邊有機會小胖會專門總結一下,也挺有意思的。
參考文獻:
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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