剛性球體打擊spg沙土和eps泡沫保護的橋墩
1,項目描述
本項目為落石沖擊堆滿沙土和EPS泡沫防護的橋墩,其中沙土采用spg算法。橋墩為鋼筋混凝土結構,內含縱筋和箍筋鋼筋,EPS泡沫采用24號材料的試驗曲線模擬。
2,幾何模型
首先利用workbench的dm模塊建立沙土、EPS泡沫、橋墩及鋼筋的幾何模型,其中鋼筋為1D線體。模型如下圖所示。
3,材料
落石為剛體,采用rigid本構
*MAT_RIGID_TITLE
luoshi
$# mid ro e pr n couple m alias
4 2730.02.00000E10 0.3 0.0 0.0 0.0
$# cmo con1 con2
0.0 0 0
$#lco or a1 a2 a3 v1 v2 v3
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
沙土采用可壓縮泡沫崩MAT_CRUSHABLE_FOAM,沙漏采用5號,系數0.03.
*MAT_CRUSHABLE_FOAM_TITLE
shatu
$# mid ro e pr lcid tsc damp
7 1628.04.000000E7 0.3 2 0.0 0.0
*HOURGLASS_TITLE
shatu
$# hgid ihq qm ibq q1 q2 qb/vdc qw
7 5 0.03 0 1.5 0.06 0.03 0.03
EPS泡沫采用24號多線性彈塑性本構,借助試驗曲線;
*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY_TITLE
eps
$# mid ro e pr sigy etan fail tdel
9 20.0 6000000 0.12 100000.0 600000.01.00000E21 0.0
$# c p lcss lcsr vp
0.0 0.0 3 0 0.0
$# eps1 eps2 eps3 eps4 eps5 eps6 eps7 eps8
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
$# es1 es2 es3 es4 es5 es6 es7 es8
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
橋墩采用混凝土材料,使用jhc本構,采用4號0.03沙漏。并定義額外的失效參數。
*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE_TITLE
hunningtuban
$# mid ro g a b c n fc
1 2650.01.68000E10 0.79 1.6 0.007 0.618.400000E7
$# t eps0 efmin sfmax pc uc pl ul
6000000 1.0 0.01 7.02.800000E7 0.0011.400000E9 0.1
$# d1 d2 k1 k2 k3 fs
0.04 1.08.50000E10-1.7100E112.08000E11 0.004
*HOURGLASS_TITLE
hunningtuban
$# hgid ihq qm ibq q1 q2 qb/vdc qw
1 4 0.03 0 1.5 0.06 0.03 0.03
*MAT_ADD_EROSION_TITLE
hunningtuban-shixiao
$# mid excl mxpres mneps effeps voleps numfip ncs
1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0
$# mnpres sigp1 sigvm mxeps epssh sigth impulse failtm
0.0 0.0 0.0 0.06 0.0 0.0 0.0 0.0
$# idam - - - - - - lcregd
0 0 0 0 0 0 0 0
$# lcfld nsff epsthin engcrt radcrt lceps12 lceps13 lcepsmx
0 10 0.0 0.0 0.0 0 0 0
$# dteflt unused mxtmp dtmin
0.0 0.0 0.0
鋼筋采用彈塑性本構,定義0.2的有限塑性應變失效參數。
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC_TITLE
pingmian-gangjin
$# mid ro e pr sigy etan beta
2 7850.02.00000E11 0.35.000000E82.000000E9 0.0
$# src srp fs vp
0.0 0.0 0.2 0.0
4,單元及有限元網格
沙土采用SPG算法,其他均采用lagrange算法。
*SECTION_SOLID_SPG
7,47
$DX,DY,DZ,,KERNEL,,SMSTEP
1.8,1.8,1.8,,2,,2
$IDAM,FS失效,
1,0.004
workbench下劃分lagrange網格,網格數5萬以上。
5,接觸建立
泡沫與橋墩之間采用綁定接觸,沙土與泡沫之間為摩擦接觸,球與沙土為自動接觸。
*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID
$# cid title
1luoshi-shatu
$# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr
7 4 3 3 0 0 0 0
$# fs fd dc vc vdc penchk bt dt
0.4 0.4 0.0 0.0 0.0 0 0.01.00000E20
$# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf
1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0
$# soft sofscl lcidab maxpar sbopt depth bsort frcfrq
1 0.1 0 1.025 2.0 2 0 1
*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID
$# cid title
4ban-duntai
$# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr
5 1 3 3 0 0 0 0
$# fs fd dc vc vdc penchk bt dt
0.4 0.4 0.0 0.0 0.0 0 0.01.00000E20
$# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf
1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0
*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_ID
$# cid title
9tie eps-huxingban
$# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr
2 1 0 0 0 0 0 0
$# fs fd dc vc vdc penchk bt dt
0.4 0.4 0.0 0.0 0.0 0 0.01.00000E20
$# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf
1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0
$# soft sofscl lcidab maxpar sbopt depth bsort frcfrq
1 0.1 0 1.025 2.0 2 0 1
6,邊界及載荷
施加z方向重力;
*LOAD_BODY_Z
$# lcid sf lciddr xc yc zc cid
1 1.0 0 0.0 0.0 0.0 0
*DEFINE_CURVE_TITLE
zhongli
$# lcid sidr sfa sfo offa offo dattyp lcint
1 0 1.0 1.0 0.0 0.0 0 0
$# a1 o1
0.0 9.8
10.0 9.8
落石Z方向速度偽18.8m/s。
*INITIAL_VELOCITY_GENERATION
$#nsid/pid styp omega vx vy vz ivatn icid
4 2 0.0 0.0 0.0 -18.80632 0 0
$# xc yc zc nx ny nz phase irigid
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0 0
7,求解設置
計算時間0.2s。為防止容易負體積,時間步因采用0.5
*CON*T*ROL_TERMINATION
$# endtim endcyc dtmin endeng endmas nosol
0.2 0 0.05 0.01.000000E8 0
*CON*TROL_TIMESTEP
$# dtinit tssfac isdo tslimt dt2ms lctm erode ms1st
0.0 0.5 0 0.0 0.0 0 1 0
$# dt2msf dt2mslc imscl unused unused rmscl
0.0 0 0 0.0
施加全局阻尼0.05
*DAMPING_GLOBAL
$# lcid valdmp stx sty stz srx sry srz
0 0.05 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
$
8,求解
6核cpu求解時間1.5小時。
9,結果分析
通過計算,沙土由于采用可壓碎泡沫本構MAT_CRUSHABLE_FOAM,非常容易出現負體積,因此采用了SPG算法,經過計算可見沙土的成坑性能非常好,也與試驗進行了對比,接觸反力與試驗測得值非常接近。
落石打擊沙土、橋墩等的變形應力如下圖所示:
落石與沙土之間的接觸力如下:
沙土沙漏能幾乎為0;精度非常高。
sph對比spg優劣勢:
? Sph效率高但是精度低;spg反之;
? Sph難以與fem耦合,spg容易與fem耦合;
? Sph用于高速問題,spg低速高速問題都適用;
? Sph支持2D-3D,spg只支持3D;
? Fem失效后動量能量不守恒,spg在失效后仍然守恒。
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