初始應力施加的案例
關于ANSYS中初始地應力施加方法的介紹
近日，水哥收到一粉絲對初始地應力施加這塊的疑問，恰逢今天時間較多，便說說在ANSYS中如何施加初始地應力。
針對巖土工程相關的分析而言，初始地應力這個概念比較重要，所謂初始地應力，也即是在我們對巖土進行任何外部操作之前，例如基坑開挖、邊坡開挖、隧道開挖等，其本身內所存在的真實應力，也可稱之為初始應力場。
初始應力場是平衡的，這也是經常聽到的一個概念，初始地應力平衡，更簡單來講，就是我們在進行分析之前的位移清零，應力不清零。
為什么進行這樣一步操作？
答：為了使模型更加的符合實際。
ANSYS中對于初始地應力的平衡沒有類似設計軟件那般（例如Midas NX）方便，也即是我們在做類似基坑開挖分析之前，首先要進行地應力平衡操作，ANSYS中主要分為兩步進行：
第一步：原始應力場計算，導出地應力文件；
第二步：新建模型，導入地應力文件，施加重力，平衡地應力。
關于導入與導出的命令流，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，能達到位移清零，真實應力不清零的效果，下面以一個小例子來進行說明操作過程。
某二維地塊，長度50m，高度20m，需進行基坑開挖操作，操作之前，需進行初始地應力的平衡，材料為中風化砂質泥巖，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 ANSYS初始應力的施加和獲得
在使用ANSYS進行結構分析時，可以把初始應力指定為一項載荷，但只能在靜態分析和瞬態分析中使用（分析可以是線性,也可以是非線性），初始應力載荷只能施加在分析的第一個載荷步中，執行初始應力命令一次以上將覆蓋先前的初始應力指定。初應力載荷可以是初應力，初應變或者初塑性應變。
施加初始應力的方法及對比（1.質量阻尼法（模態法、快速傅里葉法）；2.動力松弛（SIDR=1-2）） ￥138.93
針對LS-DYNA顯示動力學分析中的初始應力施加如重力、軸力問題，建立了柱模型，按照軸壓比為0.1施加軸力，對比分析了幾種方法的有效性和耗時，給出針對不同計算的施加初始應力的最有效最經濟的建議，提供了全部的k文件和程序代碼以及分析文檔。
ANSYS初始應力的施加和獲得
如果ELID為空，則刪除所有已選擇的單元的初始狀態數據。
舉例如下：
inistate,defi,,,,,100,200,300,400,500,600
對整個模型施加初始應力
inistate,defi,2,3,,,33.3333
在2號單元的單元積分點3施加初始應力SX=33.333
inistate,defi,1,,,,100
對梁單元1施加初始應力 SX=100
inistate,set,dtyp,epel
inistate,defi,,,,,0.1,-0.01,-0.01
對整個模型施加初始應變場
inistate,set,dtyp,epel
inistate,defi,1,,,,0.01
對梁單元1施加常應變EPEL X=0.01
來源：CAE技術資訊
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ABAQUS熱應力分析 附ABAQUS中初始地應力的施加下載
軋輥與Cu層的熱傳導系數
下載地址：ABAQUS中初始地應力的施加
Optistruct 非線性分析-帶初始應力的卡-彈簧強度-預緊力 ￥19.89
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分析模型載荷施加步驟
1 施加初始應力
2 施加垂向載荷
分析模型截圖如下：
video.mp4
三軸壓縮，考慮了初始地應力和沒考慮初始地應力的區別
考慮了初始應力，加載的是力加載
沒有考慮初始應力，加載的是位移加載
’
有限元特輯II 初始地應力平衡
方法④初始應力提取法，首先將已知邊界條件施加到模型上進行計算，然后是將計算得到的每個單元的應力外插到形心點出，導出 S11，S22，S33，S12，S13，S23 六個應力分量。這種方法是最為通用的方法，可以實用于不同材料，不規則的地形，適用性強。
方法⑤是采用用戶子程序 SIGINI 來定義初始應力場，可以定義其為應力分量為坐標、單元號、積分點號等變量的函數，要達到精確平衡需已知具體邊界條件，在實際中應用較少。
N小問
I. 為何要施加初始地應力？
II. 什么工況下，施加初始地應力？
III.什么時間點施加地應力？
IV.施加過程中及之后需要的注意事項？
......
I. 為何要施加初始地應力？
地應力是存在于地殼中未受工程擾動的天然應力,也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。廣義上也指地球體內的應力。它包括由地熱、重力、地球自轉速度變化及其他因素產生的應力。我們所建立的幾何模型一般和工程實際情況或尺寸相對應、相一致，比如邊坡幾何模型和實際邊坡尺寸一致，但我們可以夸張一點想像，實際邊坡應是由一個更大一點或更高一點的不受重力的初始邊坡在n年前突然受重力和類似目前的邊界條件作用下逐漸形成了今天的尺寸大小，n年前受重力和類似目前的邊界條件作用之前邊坡的尺寸大小，我們不得而知，如果能準確知曉，我們就可以建立一個那時的幾何模型，再施加重力和邊界條件進行計算，變形后形狀和現狀邊坡形狀一致，其內力也就是初始應力場或地應力，就不用專門去施加地應力了，但問題是我們不能知曉邊坡受力前的形狀尺寸，我們現在的幾何模型就是邊坡現在的實際尺寸，受力后將會變成一個更小的或與現狀不一致的邊坡，這不符合我們模擬現狀邊坡的目的。如果我們知道現狀邊坡的內力，將其提取出來作為幾何模型的內力，再和外力（重力）平衡，則我們建立的模型才能算和實際模型一致。
展開 高版本WB中施加初始幾何缺陷進行非線性屈曲分析的方法 ￥2
其中線性屈曲分析不考慮任何非線性和初始擾動，所以對結構臨界失穩載荷的計算值往往要高于結構的實際臨界載荷，有的甚至超過實際實驗測試值的幾十倍，線性分析唯一的優勢是其分析速度較快，但在實際中其預測值參考價值不大，僅給定結構屈曲失效的上限值。而在非線性屈曲分析中，對稱結構和對稱載荷需要施加一個干擾力或者一個初始幾何缺陷，使得屈曲處的不連續響應變成連續響應，從而保證在非線性分析時得到屈曲解。由于實際工程結構中存在的缺陷往往很難精確的定位和測量，所以通常的方法是將特征值屈曲分析得到的屈曲模態的變形乘以一個系數并施加在有限元模型上作為初始幾何缺陷，使結構不再對稱，以便求得非線性屈曲分析的解。本文介紹的即是在WB中進行非線性屈曲分析引入初始幾何缺陷的方法。
展開 初始應力(Initial stress)計算---K0-procedure
1 引言
對于任何采礦或土木工程項目，在開挖或施工開始之前，地層中都存在著一個初始應力(initial stresses)，因此無論使用有限元還是離散元進行模擬，都必須首先考慮模型在初始應力下的平衡【初始條件(Initial Conditions)中的原巖應力(block zone initialize)；自重引起的初始應力(zone initialize-stresses)】。影響初始應力的因素主要包括：土體的單位重量、應力歷史、孔隙水壓力以及流體速度。Plaxis的初始階段(Initial phase)有四種方法計算初始應力(Initial stress generation)：
(1) k0 procedure
(2) Gravity loading
(3) field stress
(4) flow only
本文簡要討論了Plaxis中使用K0-procedure確定初始應力的過程及其注意事項。
2 確定k0
k0代表著初始應力比(Initial stress ratio)，又稱靜止側壓力系數(coefficient for lateral earth pressure)，是指土體在無側向變形條件下固結后的水平主應力與垂直主應力之比，這個概念也應用于巖石工程中【原巖應力(in-situ stresses)的估算 】。經常使用的k0計算方法是
k0=1-sin(fei)
其中fei是土體的內摩擦角。
初始應力的設置有兩種方法：一種方法使用Automatic, 在這種情況下，k0,x,=k0,z=0.5，使用上式反算，可以看出這相當于假定土體的內摩擦角為30°；另一種方法使用Manual, 手工輸入k0,x值即可。
展開 關于在flac3d里設置初始地應力的討論(轉帖)
SimWe仿真論壇
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2 、對于均質材料施加有梯度的應力
如工程接近地面，則不能忽視應力隨深度的變化，當然，也要考慮重力。在合理的邊界條件下（如固定底部，側邊為滾動邊界），通過一般幾百步左右的計算，模型的自重應力和所施加的重力會達到平衡。不過，并不一定要進行這種計算。較好的方法是賦予初始內部應力，這種應力能滿足平衡以及重力梯度的要求。
其中，grad= ρg ，而內部應力還需和施加應力的邊界上的邊界應力一致。
所舉的例子表明重力方向的初始應力及梯度應與重力場一致，其他兩個方向則在不破壞屈服準則的前提下可以取任意值。
論壇;XX[ hk.l2pG
討論：|Simwe.com|仿真|設計|有限元|虛擬儀器 Y)Af
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從flac3d說明里看到，在具體條件不知的情況下，初始地應力在某種程度上成為了人為規定的東西。
總結原始數據缺乏時的初始地應力輸入原則為：重力向應力與重力場對應，按梯度計算出的結果與所施加的初始邊界應力條件一致；其他方向的應力場輸入時應注意量值不應過大，防止模型產生塑性流動，邊界條件或者采用apply 命令賦予與初始應力值一致的應力值，或者用fix 命令直接搞定。
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有限性元特輯II 初始地應力平衡兩種方法（實例）
11.修改關鍵字，為模型定義初始應力場
1，手動添加關鍵字法
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， 初始應力場文件soil.csv應該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
看地應力平衡的結果
注意， 初始應力場文件soil.csv應該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
可觀察到，初始狀態下（0時刻）， 模型就具有了一個初始應力場，這個應力場與上一個未加初始地應力的分析步結束時刻的應力場完全相同。
上面就已經完成了初始地應力平衡 ，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。唯一區別是，EXCEl有行數限制，當n>65536時，不能載入全部文件內容。
方法II
同樣分兩個步驟：
1.自動地應力平衡。
2.讀取ODB文件結果定義初始應力。
同樣形式如下：
精力有限，不想詳述~
總結
初始地應力平衡，在巖土工程等中，非常重要與關鍵，需給予足夠重視。當然，本教程足夠簡單，更深的問題未涉及~感興趣的，請查閱相關資料！
(建議有個草稿箱，剛剛出錯，內容全沒了……）
小哥原創，轉載請注明出處 本人郵箱 xingwjin@sina.com
展開 流固耦合方法進行隧道爆破開挖，怎么實現添加初始地應力？
在進行動態松弛方法模擬地應力時，為什么每次獲取動態松弛文件進行顯式計算都無法正常計算，實現這一操作的規范步驟是怎樣的，有無大佬指導一下，痛苦死了。
LS-DYNA應力初始化4種方法附k文件（原作者冰刀）
好的教程就是這樣不僅要告訴你方法，還會提供給你測試文件,這段時間在研究應力初始化的問題，冰刀的這篇作品非常棒，轉過來，希望對技術林的朋友有所幫助（原作者冰刀，Email： yj152052520@163.com QQ395550334）
調試k文件：
LS-DYNA3D中的應力初始化.rar
原帖出處：http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=993351&extra=page%3D1%26filter%3Ddigest%26digest%3D1
截面帶殘余應力和初始幾何缺陷的工字梁非線性屈曲分析
材料非線性行為：雙線性隨動強化BKIN，屈服強度460MPa
幾何非線性：長工字梁
其他:
1.采用梁單元beam188建模
2.各個梁截面初始含有初始殘余應力
加載示意圖：
梁單元初始殘余應力云圖：
梁單元等效應力云圖：
由此可見，結構發生屈服并不是因為達到材料的屈服極限，而是發生受壓失穩。
載荷和轉角曲線：
這類問題很多時候是采用的是殼單元建模分析，本文提供了一種新的思路，對于復雜模型，由于節點數目相比于殼單元要少很多，因此可以極大的提高求解的效率。
另外在提供一個新的思路，根據本模型的特點，其實也可以采用2D-3D擴展的方法。不過，這樣要花費比較大的計算資源。
過程如下：
1.首先采用平面應變單元，建立梁截面模型，然后采用施加截面的初始殘余應變。
2.將模型擴展到3D。輸出3d狀態下的初始殘余應力。
3.將上述模型拷貝兩份。其中一份用于得到殘余應力分布。另一份用于正常的特征值屈曲分析。
4.獲取特征值屈曲分析的變形作為初始幾何缺陷。
5.加入前面得到的初始殘余應力場載荷，進行非線性求解分析。
采用實體單元分析時，需要注意載荷的轉換。另外注意不要把初始應力場加到特征值分析時。
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