solid186與solid185單元結果對比下載

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。

solid186與solid185單元結果對比下載的圖1

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
2、Extended Drucker-Prage

solid186與solid185單元結果對比下載的圖2

Plane182/183單元支持材料本構模型

solid186與solid185單元結果對比下載的圖3

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:

solid186與solid185單元結果對比下載的圖4

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:
C1=6sin(a)/[3-sin(a)];
C2=6Ccos(a)/[3-sin(a)];
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:
Mp,ex,1,10e9
Mp,prxy,1,0.23
Mp,dens,1,2200
tb,dp,1
tbdata,1,7.8e6,35
為輸入EDP材料模型,參數計算如下:
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:
Mp,ex,1,10e9
Mp,prxy,1,0.23
Mp,dens,1,2200

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

solid186與solid185單元結果對比下載的圖5

Plane42單元等效應力場

solid186與solid185單元結果對比下載的圖6

Plane182單元等效應力場

二、Y方向位移場

solid186與solid185單元結果對比下載的圖7

Plane42單元Y方向位移場

solid186與solid185單元結果對比下載的圖8

Plane182單元Y方向位移場

三、襯砌彎矩

solid186與solid185單元結果對比下載的圖9

Plane42單元襯砌彎矩

solid186與solid185單元結果對比下載的圖10

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



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