土壤塑性的案例
巖土力學中的塑性流動仿真與分析
人們開發了很多數值模型來深入研究土壤行為。在這里，我們將向您介紹 COMSOL Multiphysics 中用于研究土壤的運用最為普遍的模型，及對隧道開挖實例進行分析。
巖土工程快速入門
建筑界普遍存在這樣一個趨勢：海上結構物建造的水域越來越深；建筑物之間的距離越來越近；海上風力發電機建造在離海岸很遠的深海中，這使其可能面臨著極其嚴苛的負載條件。因此，近幾十年來，巖土工程師開發了多種數值仿真來應對這種建筑趨勢以確保建筑的安全性。
“Paris Metro construction 03300288-3″。已獲 Public domain 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。
塑性與巖土材料
塑性是指材料能穩定地發生永久變形而不破壞其完整性的能力，金屬、土壤、巖石、混凝土等材料便具有這樣的特性。當造成彈性形變的應力上升到達一個特定的應力級別——屈服應力時，材料開始產生塑性形變。
彈/塑性行為是與路徑相關的，應力取決于材料的之前的變形行為。因此，塑性模型通常與應力變化速率直接關聯，而非應力和塑性應變。整個行業中應用最為廣泛、最著名的塑性模型是以 von Mises 屈服面為基礎的，該模型中塑性流動不因壓力的大小而改變。因此，屈服條件及塑性流動只以偏應力張量為基礎。
然而，因為分析土壤物質時需考慮摩擦和膨脹的影響，所以該模型對此類材料無效。讓我們來看看該如何解決這個問題，并簡單介紹一下 COMSOL Multiphysics? 仿真軟件中不同的土壤塑性模型。
土壤及巖石的塑性
對于土壤和巖石等材料，摩擦和膨脹的影響是不可忽略的。眾所周知，這類材料對壓力非常敏感，當施加壓力時會產生不同的拉伸和壓縮行為。
展開 案例48-主動和被動側向土壓力分析
本示例問題模擬了主動和被動土壓力載荷下的土壤行為。該問題顯示了如何用莫爾-庫侖材料模擬土壤的非線性塑性行為。
重點介紹了以下特性和功能：
• 通用固體單元技術
• 地質力學材料
• 初始應力狀態
• 多幀重啟動
介紹
當工程結構的一部分與周圍地面交換應力時，就會發生土-結構相互作用。必須考慮此類相互作用的典型結構包括地基、樁和擋土墻。通過評估地面施加在工程結構上的應力和結構施加在地面上的應力，可以在施工期間或施工后進行基于結果的安全評估。
問題描述
計算水平位移擋土墻上的主動和被動側向土壓力。保留的回填土由粘性很小的砂土組成。
最初，通過考慮土壤的重力加速度來施加原位應力狀態。之后，產生兩種應力狀態。
主動土壓力狀態是通過將擋土墻移離土壤而產生的。通過將擋土墻移向土壤，產生被動土壓力狀態。這兩種應力狀態都受到擋土塑性變形的強烈影響。
建模
考慮二維模型。單元公式基于線性四邊形PLANE182單元，使用平面應變條件下的增強應變公式（KEYOPT（1）=2，KEYOPT（3）=2）。單元邊緣尺寸固定為1m。
通過在土壤上施加重力加速度g=10m/s2產生初始原位土壓力，從而導致不希望的垂直變形。為了緩解這個問題，施加了初始應力狀態，從而使重力載荷步驟的初始狀態幾乎無變形。
主動和被動土壓力狀態通過多幀重新啟動在后續加載步驟中生成。
材料屬性
土壤材料采用具有弱膨脹效應的理想塑性Mohr-Coulomb材料進行建模。
邊界條件和加載
假定擋土墻是剛性的。因此，水平運動可以通過狄利克雷邊界條件直接施加在土壤上。
假定土壤兩側的擋土墻無摩擦；因此，僅需要固定的水平移動。
展開 案例58-吸力樁分析
內部和外部土壤模型使用SOLID186二次實體單元。
通過CONTA174/TARGE170接觸對，在外部土壤和吸力樁裙部之間以及內部土壤和吸力樁樁裙部之間定義了非線性摩擦接觸區域。
吸力樁裙板的恒定殼厚定義為ts=20 mm，吸力樁頂部的有效殼厚為tT=180mm。
材料屬性
土壤材料采用具有弱膨脹效應的理想塑性Mohr-Coulomb材料進行建模：
使用彈塑性雙線性運動硬化模型對結構鋼材料進行建模。
分析流程
吸力樁分析包括三個順序分析：
第一部分：標稱幾何非線性靜態分析
進行了具有標稱幾何結構的非線性靜態分析。該分析說明了特定的載荷歷史，以獲得適用于后續屈曲分析的荷載和應力狀態。
邊界條件
土壤和吸力樁裙部的底部節點在垂直方向上固定。
垂直方向上的位移限制在地下模型的所有四邊。
水平方向的位移限制在吸力樁的頂部外圈上。
加載
加載分四步進行：
載荷步1：土壤重力加速度+初始應力狀態
通過向土壤施加g=9.81m/s2的重力加速度，產生初始原位土壓力。
原位應力狀態計算導致不期望的垂直變形。為了緩解這個問題，施加了初始應力狀態，從而使重力載荷步的初始狀態幾乎無變形。
通常，土壤處于已固結狀態。因此，靜止荷載引起的初始位移是不自然的，應盡量減少。垂直應力狀態SZ根據土壤深度線性變化。Sz通過土壤密度ρ、重力加速度g和每個單元的垂直高度h確定：
側向土壓力系數定義為水平應力分量與垂直應力分量之比。對于彈性載荷條件下水平保持的非超固結土，該系數通過泊松比確定。
水平應力分量由以下公式確定：
已知應力狀態作為初始狀態（INISTATE）應用。
展開 基于DEM-MBD耦合仿真的地面車輛力學解決方案
土壤的主要物理特性主要包括：土粒大小、顆粒級配、密度、含水量、孔隙率等；土壤的力學特性主要包含兩部分：抗剪強度和彈性變形。
EDEM軟件為用戶提供了專用的土壤模型案例包，該案例包中包含了8種適用于土壤仿真的力學模型，充分考慮了土壤的物理特性和力學特性，這包括3種同時考慮土壤彈塑性變形和含水量的不同參數的EEPA接觸、2種考慮塑性變形的Hysteristic Spring模型、2種考慮土壤粘性的JKR模型以及1中不考慮粘性和可壓縮性的Hertz Mindlin模型，用戶在使用時可按照引導選擇正確的力學模型。
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，分析和評估系統的性能。多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論，包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統運動規律的學科。多體系統一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結構和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數值方法進行求解。
車輛是一個復雜的多體系統，外界載荷的作用更加復雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。多體動力學的迅速發展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發展到非線性系統模型；模型的自由度由二自由度發展到數十個自由度，甚至到數百個上千個自由度。
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越野車在沙漠中行駛怎么仿真？看看這個神仿真方案
EDEM軟件為用戶提供了專用的土壤模型案例包，該案例包中包含了8種適用于土壤仿真的力學模型，充分考慮了土壤的物理特性和力學特性，這包括3種同時考慮土壤彈塑性變形和含水量的不同參數的EEPA接觸、2種考慮塑性變形的Hysteristic Spring模型、2種考慮土壤粘性的JKR模型以及1中不考慮粘性和可壓縮性的Hertz Mindlin模型，用戶在使用時可按照引導選擇正確的力學模型。
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，分析和評估系統的性能。
多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論，包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統運動規律的學科。多體系統一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結構和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數值方法進行求解。
車輛是一個復雜的多體系統，外界載荷的作用更加復雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。
多體動力學的迅速發展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發展到非線性系統模型；模型的自由度由二自由度發展到數十個自由度，甚至到數百個上千個自由度。模擬計算也由穩態響應特性的計算發展到瞬態響應特性和轉彎制動特性的計算。
目前多體動力學仿真已日漸成為國內外的各主要車輛和研究機構的通用方法和標準。目前在車輛領域廣泛應用的多體動力學仿真軟件有多種，包括MSC.ADAMS、Recurdyn、西門子公司的Virtual Lab Motion等。
展開 仿真筆記——ANSYS與ABAQUS對比，你選擇那個？
除常規的金屬材料外，還可以有效地模擬復合材料、土壤、塑性材料和高溫蠕變材料等特殊材料；
3)更多的接觸和連接類型，可以是硬接觸或軟接觸，也可以是Hertz接觸(小滑動接觸)或有限滑動接觸，還可以雙面接觸或自接觸。接觸面還可以考慮摩擦和阻尼的情況。上述選擇提供了方便地模擬密封，擠壓，鉸連接等工程實際結構的手段；
4)Abaqus的疲勞和斷裂分析功能，概括了多種斷裂失效準則，對分析斷裂力學和裂紋擴展問題非常有效。
7 ANSYS偏學術，而ABAQUS則偏于工程
這一點從二者劃分網格形成有限元模型的時間點可以看出來。在ANSYS的經典界面中，第一步就要選擇單元類型，然后可以用直接法首先創建節點，根據節點創建單元，此后可以在單元上施加載荷，在節點上施加邊界條件。總之，這種操作一開始，就讓人感覺到在使用有限元方法工作。雖然在ANSYS WORKBENCH中內部隱藏了單元類型的選擇問題，但是在得到幾何模型后，接著立即是劃分網格得到有限元模型，再次是施加邊界條件進行求解。
總體上，ANSYS給人的感覺是，有限元模型味道濃厚。
但是ABAQUS則并不強調有限元模型。
展開 有限元軟件對比
編輯本段SciFEA
SciFEA軟件目前開發的計算功能包括梁、板、殼結構計算；彈性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性、非線性彈性計算；熱分析、流體分析、流固耦合、熱固耦合、熱流固耦合計算等功能。計算的類型包括靜力、動力、模態分析等。目前，SciFEA軟件已形成了單機版、網絡版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架構的并行有限元計算系統。SciFEA可用于機械、土木、電氣、電子、熱能、航空航天、地質、能源等專業的有限元計算分析。也可用于高校研究所等單位的有限元教學與科研。
1．SciFEA軟件結構及特點
SciFEA拋棄了傳統CAE軟件復雜結構體系設計模式，采用直接面向用戶需求的獨立模塊開發方式。SciFEA軟件中的功能模塊保持了計算的獨立性，對CAE軟件功能擴展的復雜度降低。同時，進一步和行業需求集成的靈活度增加。
SciFEA軟件包括軟件操作界面、前后處理和計算功能模塊三大部分。前后處理采用歐洲工程數值模擬中心開發的GiD軟件包，SciFEA3.0版提供計算功能模塊包括：彈性計算、塑性計算、流體計算、粘彈性計算、材料計算、結構計算、損傷破裂計算、水熱力耦合計算、傳熱計算、滲流計算、電磁計算、電熱力耦合計算、巖土計算、熱固耦合計算、化學反應計算等；計算類型包括穩態、瞬態、動力、非線性等。
SciFEA發布的計算功能模塊均提供算例，用戶可以結合算例學習SciFEA。SciFEA的用戶模塊掛載功能實現了計算模塊的快速整合以及耦合問題的快速求解。
2．SciFEA軟件系列
SciFEA目前提供單機版、網絡版、機群并行版、顯卡（GPU）并行版，目前發行的版本為3.0版本。單機版、網絡版均提供免費試用的版本。使用版本的使用方式和正式版本一致，只是在計算的單元規模上有少于3000個單元的限制。
展開 有限元分析
編輯本段SciFEA
SciFEA軟件目前開發的計算功能包括梁、板、殼結構計算；彈性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性、非線性彈性計算；熱分析、流體分析、流固耦合、熱固耦合、熱流固耦合計算等功能。計算的類型包括靜力、動力、模態分析等。目前，SciFEA軟件已形成了單機版、網絡版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架構的并行有限元計算系統。SciFEA可用于機械、土木、電氣、電子、熱能、航空航天、地質、能源等專業的有限元計算分析。也可用于高校研究所等單位的有限元教學與科研。
1．SciFEA軟件結構及特點
SciFEA拋棄了傳統CAE軟件復雜結構體系設計模式，采用直接面向用戶需求的獨立模塊開發方式。SciFEA軟件中的功能模塊保持了計算的獨立性，對CAE軟件功能擴展的復雜度降低。同時，進一步和行業需求集成的靈活度增加。
SciFEA軟件包括軟件操作界面、前后處理和計算功能模塊三大部分。前后處理采用歐洲工程數值模擬中心開發的GiD軟件包，SciFEA3.0版提供計算功能模塊包括：彈性計算、塑性計算、流體計算、粘彈性計算、材料計算、結構計算、損傷破裂計算、水熱力耦合計算、傳熱計算、滲流計算、電磁計算、電熱力耦合計算、巖土計算、熱固耦合計算、化學反應計算等；計算類型包括穩態、瞬態、動力、非線性等。
SciFEA發布的計算功能模塊均提供算例，用戶可以結合算例學習SciFEA。SciFEA的用戶模塊掛載功能實現了計算模塊的快速整合以及耦合問題的快速求解。
2．SciFEA軟件系列
SciFEA目前提供單機版、網絡版、機群并行版、顯卡（GPU）并行版，目前發行的版本為3.0版本。單機版、網絡版均提供免費試用的版本。使用版本的使用方式和正式版本一致，只是在計算的單元規模上有少于3000個單元的限制。
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