對于做巖土類數值分析的同學來講,常見的模擬單元最為熟悉的莫過于Plane42以及Solid45單元,前者用于二維實體分析,后者用于三維實體分析,而隨著ANSYS版本的逐漸更新,這兩種老舊單元被新單元Plane182以及Solid185替代,而當同學們采用新的單元來模擬巖土類本構模型時,若采用經典DP材料模型,點擊求解之后會出現如下錯誤:
EDP plasticity: Yield Function Not Defined for element 571 and material 1.
這種錯誤一旦超過一定條數,ANSYS會立馬閃退,這讓學習ANSYS巖土類分析的同學們很是抓狂,今日水哥就簡單解釋下出現這種情況的原因以及解決方法。
出現這種錯誤的主要原因在于經典DP材料模型已不在適用于高級單元Plane182/183、以及Solid185/186。
DP材料模型雖然經典,但無法反映材料硬化、屈服面單一等問題,下列為實測巖土應力應變曲線與軟件材料模型的差異性對比圖。

為克服經典DP模型的一些缺點,ANSYS開發了擴展DP模型,簡稱EDP,
打開ANSYS HELP,查看Plane182/183、Solid185/186支持的材料模型列表,發現已經沒有經典DP材料模型,而與DP材料有關主要有兩個:
1、Drucker-Prager concrete

Plane182/183單元支持材料本構模型

Solid185/186單元支持材料本構模型
顯然,若要使用Plane182/183、Solid185/186來模擬巖土,則必須使用Extended Drucker-Prage,也即擴展的DP材料模型,翻開ANSYS對EDP材料模型的介紹,發現其參數與傳統DP材料模型輸入不同,傳統DP模型需要輸入內摩擦角、粘聚力、膨脹角三個參數,而對于EDP材料模型,使用時除了定義屈服函數外還需要定義流動準則,根據不同的屈服函數與流動準則,輸入的參數有一定差異性,如下表所示:

所以若要使用EDP材料模型,就涉及到經典DP模型到EDP模型的參數轉換問題,也即如何通過已知的內摩擦角、粘聚力計算得到EDP所需要的參數數值。
通過對比經典DP模型和EDP模型的屈服函數,發現EDP模型中的線性屈服函數與DP模型的屈服函數形式上相似且屈服面形狀也相同,通過參數等效替換,可得到EDP參數的計算公式如下:
上式中,C1為EDP模型第一個參數,根據ANSYS HELP中的英文名稱,可解釋為應力敏感度,C2為EDP模型的第二個參數,可解釋為屈服強度,a代表已知的摩擦角,C代表已知的粘聚力。
如:某泥巖,彈性模量為10Gpa,密度為2200kG/m^3,泊松比為0.23,粘聚力為7.8Mpa,內摩擦角為35度,傳統DP模型輸入如下:
C1=6*sin(35)/(3-sin(35))=1.418326
C2=6*7.8*cos(35)/(3-sins(35))=15.799Mpa
故EDP材料模型輸入如下,注意調用線性屈服函數,同時流動準則定義不能忘:
tb,Edp,1,1,2,LYFUN !定義線性屈服函數
tbdata,1,C1,C2*1e6
tb,Edp,1,1,1,LFpot !定義線性流動準則
tbdata,1,C1,
為驗證上述參數轉換的有效性,以本公眾號19年一篇文章為例,原文章采用Plane42單元模擬,材料模型采用經典DP模型,本次模擬將42單元改為182單元,材料模型采用EDP模型,
替換材料輸入如下:
!===============
!外部圍巖
mp,ex,3,3.6e9
mp,prxy,3,0.32
mp,dens,3,2200
*afun,deg
alph1=37
Coh1=0.6e6
!EDP材料參數計算
EC1=6*sin(alph1)/(3-sin(alph1))
EC2=6*Coh1*cos(alph1)/(3-sin(alph1))
tb,Edp,3,1,2,LYFUN
tbdata,1,EC1,EC2
tb,Edp,3,1,1,LFpot
tbdata,1,EC1
!內部挖空圍巖
mp,ex,4,3.6e9
mp,prxy,4,0.32
mp,dens,4,2200
tb,Edp,4,1,2,LYFUN
tbdata,1,EC1,EC2
tb,Edp,4,1,1,LFpot
tbdata,1,EC1
!===============
結果對比:
一、等效應力場

Plane42單元等效應力場

Plane182單元等效應力場
二、Y方向位移場

Plane42單元Y方向位移場

Plane182單元Y方向位移場
三、襯砌彎矩

Plane42單元襯砌彎矩

Plane182單元襯砌彎矩
通過對比可發現,兩者計算結果誤差較小,說明上述參數等效方法能較好的實現EDP材料模型參數的輸入,故而同學們在做類似巖土類模擬時可選擇如下方法進行:
一、采用低級單元Plane42、Solid45,材料模型采用經典DP模型;
二、采用高級單元Plane182、Solid185,材料模型采用EDP模型,模型參數可按本文所述方法進行計算