初始地應(yīng)力平衡的案例
有限性元特輯II 初始地應(yīng)力平衡兩種方法（實例）
11.修改關(guān)鍵字，為模型定義初始應(yīng)力場
1，手動添加關(guān)鍵字法
將原來的CAE模型另存為soil2.cae，選擇菜單Model→Edit keywords,在*STEP語句之前添加以下語句：
*initial conditions,type=stress,input=soil.csv
修改前
修改后
12. 重新建立Job,提交分析
注意， 初始應(yīng)力場文件soil.csv應(yīng)該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
看地應(yīng)力平衡的結(jié)果
注意， 初始應(yīng)力場文件soil.csv應(yīng)該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
可觀察到，初始狀態(tài)下（0時刻）， 模型就具有了一個初始應(yīng)力場，這個應(yīng)力場與上一個未加初始地應(yīng)力的分析步結(jié)束時刻的應(yīng)力場完全相同。
上面就已經(jīng)完成了初始地應(yīng)力平衡 ，接下來可以添加其他分析步（例如普通的靜力分析步Static，General），定義接觸和實際的荷載，并去掉前面第一步中臨時邊界條件。
Remark：也可用UltraEdit 處理CSV文件，而不選用EXCEL。唯一區(qū)別是，EXCEl有行數(shù)限制，當(dāng)n>65536時，不能載入全部文件內(nèi)容。
方法II
同樣分兩個步驟：
1.自動地應(yīng)力平衡。
2.讀取ODB文件結(jié)果定義初始應(yīng)力。
同樣形式如下：
精力有限，不想詳述~
總結(jié)
初始地應(yīng)力平衡，在巖土工程等中，非常重要與關(guān)鍵，需給予足夠重視。當(dāng)然，本教程足夠簡單，更深的問題未涉及~感興趣的，請查閱相關(guān)資料！
(建議有個草稿箱，剛剛出錯，內(nèi)容全沒了……）
小哥原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處 本人郵箱 xingwjin@sina.com
展開 基于ABAQUS的初始地應(yīng)力平衡方法研究_代汝林.pdf
基于ABAQUS的初始地應(yīng)力平衡方法研究_代汝林.pdf
有限元特輯II 初始地應(yīng)力平衡
Motivation
在 ABAQUS中，提供了 5 種定應(yīng)力平衡方法，分別是
1. ( AUTOBALANCE) 自動平衡法;
2. * INITIAL CONDITIONS，TYPE = STRESS，GEOSTATIC;
3. * INITIAL CONDITIONS，TYPE = STRESS，F(xiàn)ILE = file，INC =inc;
4. * INITIAL CONDITIONS，TYPE = STRESS，INPUT =XX． DAT;
5. * INITIAL CONDITIONS，TYPE = STRESS，GEOSTATIC，USER。
以上 5 種方法并不是每一種適用于所有的巖土模型，方法從易到難。
方法①的自動平衡法，它省去了自重應(yīng)力以及生成相應(yīng)初應(yīng)力文件和導(dǎo)入的麻煩。在( GEOSTATIC) 地應(yīng)力中選擇自動增量步就能使用自動地應(yīng)力平衡功能，還能指定允許的位移變化容限。不過自動地應(yīng)力平衡支持有限的幾種材料如彈性，塑性等，而其起單元也有一定的要求。
方法②為關(guān)鍵字定義初始地應(yīng)力法，這種方法需要給出不同材料區(qū)域的最高和最低點的自重應(yīng)力及其相應(yīng)坐標(biāo)。所采用的幾何模型一般較規(guī)則，表面水平，能夠通過考慮水平兩個方向的側(cè)壓力系數(shù)值來施加初始應(yīng)力場。關(guān)鍵字定義初始地應(yīng)力法只適合土體表面水平的土體，而初始地應(yīng)力提取法由于外插的應(yīng)力有一定的誤差，因此對于材料是彈塑性的復(fù)雜土體，應(yīng)力轉(zhuǎn)移要通過大量的迭代才能完成，而其有可能出現(xiàn)不收斂的情況，平衡效果可能不是很理想。
方法③是 ODB 導(dǎo)入法，這種方法可使用之前算過的 ODB 文件結(jié)果，也就是說提前計算一個初始應(yīng)力ODB 文件，定義初始應(yīng)力時直接指定 ODB 文件即可。
展開 關(guān)于ANSYS中初始地應(yīng)力施加方法的介紹
近日，水哥收到一粉絲對初始地應(yīng)力施加這塊的疑問，恰逢今天時間較多，便說說在ANSYS中如何施加初始地應(yīng)力。
針對巖土工程相關(guān)的分析而言，初始地應(yīng)力這個概念比較重要，所謂初始地應(yīng)力，也即是在我們對巖土進(jìn)行任何外部操作之前，例如基坑開挖、邊坡開挖、隧道開挖等，其本身內(nèi)所存在的真實應(yīng)力，也可稱之為初始應(yīng)力場。
初始應(yīng)力場是平衡的，這也是經(jīng)常聽到的一個概念，初始地應(yīng)力平衡，更簡單來講，就是我們在進(jìn)行分析之前的位移清零，應(yīng)力不清零。
為什么進(jìn)行這樣一步操作？
答：為了使模型更加的符合實際。
ANSYS中對于初始地應(yīng)力的平衡沒有類似設(shè)計軟件那般（例如Midas NX）方便，也即是我們在做類似基坑開挖分析之前，首先要進(jìn)行地應(yīng)力平衡操作，ANSYS中主要分為兩步進(jìn)行：
第一步：原始應(yīng)力場計算，導(dǎo)出地應(yīng)力文件；
第二步：新建模型，導(dǎo)入地應(yīng)力文件，施加重力，平衡地應(yīng)力。
關(guān)于導(dǎo)入與導(dǎo)出的命令流，ANSYS以前老版本是采用Iswrite與isfile命令，新版本可采用Inistate命令，但是Iswrite和isfile依然可以用，只是幫助文件已經(jīng)沒了這兩個命令的解釋，其用法同inistate，可具體查詢Help。
通過上兩步操作，能達(dá)到位移清零，真實應(yīng)力不清零的效果，下面以一個小例子來進(jìn)行說明操作過程。
某二維地塊，長度50m，高度20m，需進(jìn)行基坑開挖操作，操作之前，需進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，材料為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，彈性模量取1200Mpa,粘聚力取450Kpa，摩擦角取30度，采用DP材料模型。
展開 
三軸壓縮，考慮了初始地應(yīng)力和沒考慮初始地應(yīng)力的區(qū)別
考慮了初始應(yīng)力，加載的是力加載
沒有考慮初始應(yīng)力，加載的是位移加載
’
ABAQUS CEL (例9) 陸上群樁貫入多層土
圖一
二 模型的建立
圖二：創(chuàng)建已預(yù)埋于土中的280根微型樁
圖三：土體的建立（最頂層為空氣層，然后依次為3層土）
圖四：大直徑閉口單樁的建立
圖五：裝配后的效果圖（微型樁已預(yù)埋于土中；模擬2排大口徑樁的貫入）
三 貫入效果
圖六：初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)下，第一層土的應(yīng)力分布（土層S1為圖中彩虹圖的部分）
圖七：初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)下，第二層土的應(yīng)力分布（土層S2為圖中彩虹圖的部分）
圖八：初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)下，第三層土的應(yīng)力分布（土層S3為圖中彩虹圖的部分）
圖九（a）：第一排大型樁貫入時土層S1(最上層土)的應(yīng)力分布情況
圖九（b）：第一排大型樁貫入時土層S2(中間土層)的應(yīng)力分布情況
圖九（c）：第一排大型樁貫入時土層S3(底部土層)的應(yīng)力分布情況
圖十（a）：第一排大型樁貫入時土層S1(最上層土)的應(yīng)變分布情況
圖十（b）：第一排大型樁貫入時土層S2(中間土層)的應(yīng)變分布情況
圖十（c）：第一排大型樁貫入時土層S3(底部土層)的應(yīng)變分布情況
展開 基于ABAQUS蠕變儲層稠油蒸汽吞吐開發(fā)過程數(shù)值模擬
圖4 線性膨脹
初始條件
為分析地應(yīng)力場變化，將初始地應(yīng)力定義為地層重力密度在對應(yīng)深度上積分，同時橫向應(yīng)力系數(shù)為0.85，定義inp語句如圖5所示；在所有層中使用1.5作為初始孔隙比，初始均勻溫度場為10℃（50°F）。
圖5 初始地應(yīng)力
模擬方法 | 分析步與荷載
為研究蠕變特性，將一個蒸汽吞吐開發(fā)周期分析步分為五步進(jìn)行，即初始地應(yīng)力平衡、平衡后為期一個月的蠕變平衡期、注入蒸汽、燜井然后開井回采，本例中未進(jìn)行燜井，注完蒸汽后直接進(jìn)行回采。
初始分析步：初始地應(yīng)力平衡
初始地應(yīng)力平衡是平衡有限元模型的地應(yīng)力載荷，該分析步還確定了孔隙壓力的初始分布。本例中由于重力荷載定義為分布荷載類型為BZ的體力而非重力荷載類型GRAV，因此ABAQUS輸出的孔隙流體壓力為超孔隙壓力而非總孔隙壓力，超孔壓是指超過支撐孔隙流體重量位于某高于海拔高度所需的靜水壓力。對于在流固耦合分析中使用BZ與GRAV定義體力的區(qū)別在文末視頻有詳細(xì)介紹。
第一分析步：蠕變平衡
第一步是巖層瞬態(tài)固結(jié)分析步，以平衡從初始地應(yīng)力加載引起的蠕變效應(yīng)。
第二分析步：注入蒸汽
分析的第二步模擬將蒸汽注入井中深度為366米至732米的地層，該區(qū)域由圖1中的陰影區(qū)域表示。 分析步仍然為瞬態(tài)土壤固結(jié)分析，該過程中該區(qū)域節(jié)點被加熱到100°C（212°F），inp語句為：
*TEMPERATURE,OP=MOD
TARGET, 212.
展開 盾構(gòu)輸水隧洞雙層襯砌有限元分析
2 內(nèi)襯鋼管
（1）施加鋼管
由變形云圖可知：內(nèi)襯施工完成后，其環(huán)向應(yīng)力最大值為65.93MPa，徑向變形最大值為20.84mm。
（2）施加內(nèi)水壓力
由變形云圖可知：隧洞通水后，在內(nèi)水壓力作用下，其環(huán)向應(yīng)力最大值為187.9MPa，徑向變形最大值為22.31mm。可以看到，內(nèi)水壓力作用下其環(huán)向應(yīng)力最大值發(fā)生了顯著增大。
3 周圍土體
（1）初始地應(yīng)力平衡
由變形云圖可知：初始地應(yīng)力平衡后，土層豎向應(yīng)力最大值為1.966MPa，豎向變形最大值為78.29mm。
（2）開挖土體
由變形云圖可知：盾構(gòu)開挖初襯未支時，土層豎向應(yīng)力最大值為1.966MPa，豎向變形最大值為78.31mm。
（3）施加外襯拼裝管片
由變形云圖可知：外襯盾構(gòu)管片施工完成后，土層豎向應(yīng)力最大值為41.02MPa，豎向變形最大值為77.38mm。
（4）施加內(nèi)襯鋼管
由變形云圖可知：內(nèi)襯鋼管施工完成后，土層豎向應(yīng)力最大值為41.94MPa，豎向變形最大值為77.24mm。
（5）施加內(nèi)水壓力
由變形云圖可知：隧洞通水后，在內(nèi)水壓力作用下，土層豎向應(yīng)力最大值為41.91MPa，豎向變形最大值為77.22mm。
四、結(jié)論
通過建立二維有限元模型，分析了盾構(gòu)輸水隧洞開挖、施作內(nèi)外襯砌以及通水過程中結(jié)構(gòu)和土層的應(yīng)力和變形情況，得到了以下結(jié)論：（1）添加內(nèi)襯后，外襯環(huán)向應(yīng)力減小，說明內(nèi)外襯聯(lián)合受力能有效降低結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的最大應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)承載能力和安全性。（2）輸水隧洞雙層襯砌聯(lián)合受力共同承擔(dān)內(nèi)水壓力和外水土荷載，但內(nèi)襯主要承擔(dān)內(nèi)水壓力、外襯主要承擔(dān)外水土壓力。
展開 ABAQUS熱應(yīng)力分析 附ABAQUS中初始地應(yīng)力的施加下載
軋輥與Cu層的熱傳導(dǎo)系數(shù)
下載地址：ABAQUS中初始地應(yīng)力的施加
APDL地應(yīng)力平衡 ￥8.9
APDL地應(yīng)力模型，將樁的單元殺死后對土壤施加重力加速度，命令流見附件
ABAQUS地應(yīng)力平衡
對于涉及開挖、填充的動態(tài)巖土工程問題，初始應(yīng)力場是正確模擬其施工過程的先決條件。初始應(yīng)力的加載必須滿足地應(yīng)力平衡，而地應(yīng)力平衡其實就是為了使數(shù)值模擬獲得一個存在初始應(yīng)力，而無初始應(yīng)變的狀態(tài)。當(dāng)考慮自重場是產(chǎn)生地應(yīng)力場的主要因素時，顯然重力是外力，初始應(yīng)力場是內(nèi)力，將提取出的內(nèi)力施加于數(shù)值模擬后再施加重力，是內(nèi)力和外力平衡，從而獲得較精確的沒有受到人為因素干擾情況下的數(shù)值模型的初始狀態(tài)。
在 ABAQUS 有限元軟件中，提供了 5 種定應(yīng)力平衡方法，這里我就比較常用的，使用比較普遍的一種進(jìn)行講解。用的例子還是上節(jié)ANSYS的例子。
接下來，小編就一個簡單的算例就行地應(yīng)力平衡。在一個均質(zhì)的地基上有一根立柱。
柱子的尺寸為1m×2m×10m，密度2400kg/m3，彈性模量2.8E8Pa（這里我為了方便觀察規(guī)律，降低這個彈性模量），泊松比0.167；均質(zhì)地基的尺寸為30m×30m×15m，密度為2000kg/m3，彈性模量3E7Pa，泊松比0.3。模型見圖1.
1、將模型導(dǎo)入ABAQUS中。
2、創(chuàng)建靜力荷載步
3、殺死柱子單元
4、施加約束（四周施加法向連桿約束，底部施加全約束）
5、施加自重荷載
6、提交計算
7、查看后處理結(jié)果
豎向位移
豎向應(yīng)力
8、應(yīng)力場輸出
9、在工作目中找到stress_out.rpt文件
10、經(jīng)過格式的轉(zhuǎn)化（文件的后面不要有空行）
11、在之前的inp文件中Step-1前面加上*Initial conditions,Type=stress,Input=stress_in.rpt這句命令，記得一定要把stress_in.rpt放在工作目錄里面。
展開 
ANSYS地應(yīng)力平衡方法
進(jìn)行地應(yīng)力平衡的原因如下：我們建立的幾何模型一般都和工程實際情況一致，例如邊坡的幾何模型與邊坡實際尺寸相一致。但是由于邊坡的沉降和徐變作用，可以想像到，現(xiàn)在的邊坡應(yīng)該是由一個體積更大的原始邊坡在很久以前由于受到重力作用和邊界約束條件，逐漸形成了現(xiàn)今的邊坡形態(tài)。但是對于那個原始的邊坡形態(tài)，我們不得而知。假如能準(zhǔn)確知曉，我們就能夠建立原始邊坡的幾何模型，接著對邊坡施加重力和邊界條件，受力后邊坡形態(tài)應(yīng)該和現(xiàn)在的邊坡相一致，其內(nèi)力就是初始應(yīng)力場（地應(yīng)力），這樣就不用專門施加地應(yīng)力了。但現(xiàn)實情況是我們不能知曉原始邊坡的形態(tài)。現(xiàn)在的邊坡幾何模型就是其實際形態(tài)，受力之后將會變成一個與現(xiàn)狀不一致的邊坡，這不符合現(xiàn)在的實際情況。如果我們計算出現(xiàn)今邊坡的內(nèi)力，并將其作為邊坡的初始應(yīng)力場，再去和外力平衡，這樣我們建立的模型就和現(xiàn)實邊坡情況相一致了。
對于涉及開挖、回填的動態(tài)巖土工程問題，地應(yīng)力平衡是正確模擬施工過程的前提條件。初始應(yīng)力的加載必須滿足地應(yīng)力平衡，而地應(yīng)力平衡就是為了使地基僅存在初始應(yīng)力，而不存在初始應(yīng)變。當(dāng)?shù)鼗灾厥钱a(chǎn)生地應(yīng)力場的主要因素時，重力是外力，初始應(yīng)力場是內(nèi)力，將提取出的內(nèi)力施加于模型后再施加重力，此時內(nèi)力和外力平衡，該狀態(tài)就是工程建設(shè)的初始狀態(tài)。
在ANSYS中的地應(yīng)力該怎么平衡呢？
初應(yīng)力(Initial Stress)可以指定為一種“荷載”進(jìn)行施加,但僅在靜態(tài)分析和全瞬態(tài)分析中使用，可以用于線性分析或非線性分析。
展開 多孔介質(zhì)的地應(yīng)力平衡
根據(jù)單向固結(jié)理論，有效應(yīng)力=總應(yīng)力-孔隙壓應(yīng)力。在非飽和問題中，ABAQUS采用的是：有效應(yīng)力=總應(yīng)力-飽和度*孔隙水壓力。又由于ABAQUS對孔壓正負(fù)號的規(guī)定和土力學(xué)中一致，而對應(yīng)力正負(fù)號的規(guī)定和土力學(xué)中剛好相反，故上面公式中的“-”號要改為“+”號。對《abaqus在土木工程中的應(yīng)用》一書中的這個例子，土體頂面的總應(yīng)力是為零的，但孔壓為-10kpa，查-10kpa對應(yīng)的飽和度得0.9789，再用上面的公式計算就得到了-9.789kpa。個人感覺不要死套公式，對每一點都分別算出總應(yīng)力和孔隙水壓力，再按上式計算有效應(yīng)力。最后一點：《abaqus在土木工程中的應(yīng)用》一書中給出的初始有效應(yīng)力的計算公式有點問題，手冊上面說的很詳細(xì)，手冊里面是把土體分為完全干燥區(qū)，半飽和區(qū)和完全飽和區(qū)三部分來考慮的。把手冊上相關(guān)的部分傳上來，希望對大家有所幫助。
多孔介質(zhì)的地應(yīng)力平衡.rar
展開 18m深基坑對臨近超高層建筑物的影響有限元模擬
圖2 網(wǎng)格劃分
初始地應(yīng)力平衡如圖3所示。
圖3 初始地應(yīng)力平衡情況
3 結(jié)果及分析
基坑開挖18m后，高層建筑側(cè)向位移如圖4所示，最大側(cè)向變形為1.93mm。
圖4 高層建筑側(cè)向變形
基坑開挖18m后，高層建筑的彎矩如圖5所示，最大彎矩為378.8kN.m，位于首層中部區(qū)域柱中。
圖5 高層建筑結(jié)構(gòu)彎矩
基坑開挖18m后，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6所示，最大應(yīng)力為31.9MPa，位于首層中間位置柱與底板交接處。
圖6 高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
基坑開挖18m后，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移如圖7所示，最大側(cè)向位移為8.9mm。
圖7 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移
基坑開挖18m后，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的彎矩如圖8所示，最大彎矩為1438kN.m。
圖8 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)彎矩
展開 地應(yīng)力平衡方法以及注意事項
注意：只有采用彈塑性本構(gòu)模型時需要地應(yīng)力平衡，彈性本構(gòu)不需要地應(yīng)力平衡！
第一部分 地應(yīng)力平衡方法簡介
地應(yīng)力平衡主要有五種方法：
（1）自動平衡：第一步創(chuàng)建分析步geostatic ，這種方法注意只能在第一步只能有土和重力的情況下能使用，有其他部件或者接觸時計算不能收斂，效果是最好的，方便簡單！
（2）*initial conditions,type=stress,geostatic
該方法需給出不同材料區(qū)域的最高點和最低點的自重應(yīng)力及其相應(yīng)坐標(biāo)。所采用的幾何模型一般較規(guī)則,表面大致水平,地應(yīng)力平衡的好壞一般只受巖體密度的影響,無論采用彈性或彈塑性本構(gòu)模型都能很好的達(dá)到平衡,可以不必局限于僅受泊松比的影響,能夠通過考慮水平兩個方向的側(cè)壓力系數(shù)值來施加初始應(yīng)力場。計算速度快,收斂性好。缺點就是不能夠很好平衡具有起伏表面的幾何模型,需知道平整后模型的上覆巖體自重。
高版本在CAE里也能操作
用計算器算出每個分界面上的應(yīng)力和坐標(biāo)對應(yīng)填入，也比較方便 不需要修改關(guān)鍵字
（3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user
導(dǎo)入ODB里的方法，也比較簡單，高版本可在截面上操作，不需要修改關(guān)鍵字
你放入ODB后，填入第一步不需要填名稱 就是1 ，增量步就是你第一步計算的最后一個增量步
（4）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或inp)
該方法中的文件FILENAME.INP獲取方法為:首先將已知邊界條件施加到模型上進(jìn)行正演計算,然后一般是將計算得到的每個單元的應(yīng)力外插到形心點處并導(dǎo)出6個應(yīng)力分量(也可以導(dǎo)出積分點處的應(yīng)力分量,視要求平衡的精確程度而定)。
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