ABAQUS应用于土石坝数值计算的技巧总结|水利水电工程 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2012-02-06

作者：dailinghui

ABAQUS软件是国际著名的有限元通用软件，功能非常强大，但是在进行土石坝应力应变计算这一专业而又复杂的问题上，还存在一些局限性。因此，必须对软件和计算问题有深入的了解，才能找到解决办法，突破局限性。为了便于沟通和交流，本文对ABAQUS软件进行土石坝计算时的一些经验技巧加以总结和探讨。共分为初始建模、网格划分、地应力平衡、无限元节点调整、增量步设置、计算过程控制、结果后处理几个部分进行总结。
一、初始建模
1、ABAQUS CAE建模：ABAQUS软件的前处理功能比较强大，可以通过人性化的界面来建立几何模型。但是广大工程人士最为了解和熟悉的画图软件当属AutoCAD。ABAQUS软件有专门的接口，可以将格式为dxf的CAD文件导入进来。在导入的过程中，可以采用以下步骤来进行：（1）首先将原始图形（坝体剖面图）导到Skectch模块；（2）在Part模块中建立Part（坝体）的时候，由于ABAQUS只允许外边框存在，而不能有内部线，因此，可以先把Skectch模块中的坝体剖面图全部添加进来，只保留坝体的外边框，将其余的线条都删去；（3）对Part进行Partition分割操作：把坝体剖面图全部添加进来，只保留分割坝体所需要用到的线条，把其他多余线条全部删去，包括坝体的外边框。建第二个、第三个Part的时候，重复以上操作即可。采用上述方法建模的好处是，整个建模过程用到的所有线条，都是基于原始图形（坝体剖面图）的，因此可以避免线条有交叉、结点不重合等情况的发生。而且在Assembly模块里将各个Part进行组装的时候，不但不需要再调整各个Part位置，还能保证各个Part之间接触面完全重合，为建立正确的接触关系打下基础。
2、其他前处理软件建模：ABAQUS软件的前处理功能是基于“自上而下”的思路设计的，即先建出模型的整体，然后根据不同部位的要求切出各个小块。而其他有限元软件中还有另外一种建模思路——“自下而上”的思路，即首先按不同部位的要求建出各个小块，然后再组合成整体。专业的前处理软件有很多，比较知名的有Patran软件、Hypermesh软件等。Patran软件是基于“自下而上”的建模思路设计的，它可以为ABAQUS做专业的前处理，最终生成ABAQUS的输入文件，即inp文件。用Patran为ABAQUS作前处理时，建议在进行Equivalence操作（即将各个小块组合成整体）之后，对节点和单元进行一次Renumber操作，即对单元和节点重新编号。如果不进行这项操作，也不会对计算和最终结果产生影响，但是在对结果进行后处理时，将会遇到麻烦。例如用Tecplot软件（专业的后处理软件）进行后处理时，由于节点号和单元号不连续，将会导致无法单独挑出关心部位，如心墙。而进行了Renumber操作之后，就能避免这种情况的发生。
二、网格划分
在对沥青混凝土心墙坝划分网格时，由于心墙与整个坝体相比，厚度方向的尺寸显得非常小，但不能据此在心墙厚度方向上只划分一层网格。因为一层网格会导致整个心墙的应力应变全都受到接触面的影响，从而产生较大误差。如果采用其他后处理软件（如Tecplot）对ABAQUS的结果进行后处理时，两种材料交界面上的节点应力值会被强行平均，这种情况下，如果心墙厚度方向上只有一层网格，内部进行插值后，最终得到的整个心墙的应力值就是完全错误的。所以心墙厚度方向上至少应划分2层～4层网格。
三、地应力平衡
有深厚覆盖层存在时，坝基的地应力平衡就是必不可少的。进行地应力平衡时，首先只对坝基施加重力荷载，然后从结果文件中读出坝基各个单元的应力分量，将其保存到一个文本文档里。然后借助Excel软件读取应力文档进行格式调整和处理，将其转换为ABAQUS可以识别的格式。在这个过程需要注意一个问题，即Excel软件读取应力文档之后，默认的科学记数法的小数位数是2位，而ABAQUS的数据是采用6位有效数字的，即用科学记数法表达时，有5位小数。因此，在Excel里需要将小数调成5位，这样在进行地应力平衡时可以减小误差，得到更为精确的结果。
一般情况下，如果坝基的材料采用弹性模型或者摩尔库仑模型时，进行一次地应力平衡的结果可以使位移降至10^-17m的数量级，效果非常好。但是坝基材料采用邓肯张模型时，一次地应力平衡的结果一般只能使位移降至10^-4m的数量级，而且位移的最大值可能达到10^-3m的数量级。这种情况下，如果对结果要求严格，可重复进行一次或两次地应力平衡，一般能使位移再降低1～2个数量级，而再进行更多次的地应力平衡，就不会有明显的效果了。
四、无限元节点调整
无限元在ABAQUS软件中的实现方法比较简单，虽然无法在ABAQUS CAE里直接划分，但可以通过在inp文件里面修改关键字来很容易地实现。不过前提是无限元部分必需首先生成一个单元集，这一点可以通过以下方法来实现：在对坝基远场为无限元的计算模型划分网格时，坝体和坝基近场划分为CPE4单元，坝基远场划分为CPE4R单元，即四节点四边形平面应变减缩积分单元。然而这里并不需要用这种单元，而只是将它作为一个中介，与CPE4单元区分开，生成单独的单元集合，而后在inp文件里面，只需要将关键字CPE4R改为CINPE4（四节点四边形平面应变无限单元）即可。
其次，无限元能够最终实现的另外一个重要前提是，节点按逆时针方向编号，并且要确保无限元的第一个面是与有限元交接的面，这一项必须通过手动修改完成。建议将inp文件中无限单元部分的节点号导入Excel软件中进行调整。在土石坝计算中，坝基远场的无限元又可以分为三个小部分，即位坝基下方的无限元、位于坝基左边的无限元和位于坝基右边的无限元。在每个小部分中，单元的节点排列顺序都是一样的，可以在CAE中查询，然后将该部分的节点顺序统一调整为无限元所要求的正确顺序。这样，只需要在Excel软件中对三个小部分分别进行统一调整，而无需一个一个地调整，大大简化了工作量。
五、增量步设置
ABAQUS中每个分析步的增量步是按比例因子将每级荷载逐步施加到模型上的，这一点与增量法的本质相同。因此，在用ABAQUS进行土石坝计算时，除了坝体分层填筑是按增量法的思想计算之外，每个填筑层本身也是按增量法逐步施加荷载的，前者体现在各个分析步上，后者体现在每个分析步的增量步上。增量步是人为设置的，如果将其定为1，即填筑层的重力只按一个增量来施加，则最终结果就没有体现分析步内的非线性，而且还有可能导致计算不收敛。通过对比分析，将最大增量步设为0.1，即每个分析步的荷载至少按10个增量步来施加，就能较好地体现分析步内每个填筑层对坝体非线性的影响。

六、计算过程控制
对于同一个具体工程问题而言，二维模型与三维模型相比，网格数量少、计算时间短、结果文件小，在计算中出现问题的可能性也小。但是在三维模型大规模计算中，可能出现以下问题：计算中突然断电或死机，导致计算白费；结果文件过大，导致磁盘空间不足而退出计算，或者即使算完了，打开读取时也非常慢。
鉴于上述两种情况，可以在inp文件里添加关键字进行控制。首先通过*restart, write, frequency=n来设置生成重启动文件，数字n表明在一个分析步中计算多少个增量步后更新一次重启动文件，一般为了减小重启动文件的大小，可以给它一个较大值，如999，这样n值大于分析步中总共的增量步个数，就会只在分析步结束时才更新一次重启动文件。有了重启动文件之后，如果出现突然断电或死机等情况时，可以在电脑恢复运行之后，重新启动接着计算。
其次，通过*Output, field, frequency=n来控制结果文件写入的频率，同样可以给n一个较大值，如999，这样就只将分析步结束时的计算结果写入到odb文件里，从而能够大幅减小结果文件的大小，方便读取和后处理。
七、结果后处理
1、物理量极值的提取：打开结果文件后，如果显示某一物理量的云图，则图例中的上限值和下限值就分别是当前显示区域的该物理量的最大值和最小值。如果需要查看不同部位、不同材料（如堆石体和心墙）的物理量极值，可以通过两种方法来实现：（1）用Display group将关心部分单独显示出来，然后通过图例读取极值；（2）用Report field output将所有区域的各物理量极值都写入到一个文件里，ABAQUS会自动在该文件里把所有区域的各物理量极值都显示出来，并且还会显示发生位置的节点号。第一种方法比较简洁和直观，第二种方法比较全面和方便。建议根据具体需求选择相应的方法。
2、云图和等值线图的绘制：ABAQUS可以显示彩色云图和彩色等值线图，如果需要画黑白等值线图，建议采用其他后处理软件，如Tecplot软件，该软件可以直接打开ABAQUS的odb结果文件。但是用Tecplot打开odb文件之后，建议不要直接绘制等值线图，原因如下：（1）ABAQUS中的应力表达采用的是弹塑性力学中的规定，而一般的工程报告或论文中常采用土力学中的规定，其对应关系是，ABAQUS中的大主应力对应土力学中的小主应力负值、小主应力对应大主应力负值；（2）等值线图中要求的各物理量的单位与odb文件中的不一定相符，例如等值线图中要求应力的单位为MPa，而odb文件中的应力单位为Pa；（3）odb文件中的某些物理量无法导入到Tecplot软件里，从而致使无法画出统一的等值线图，如应力水平；（4）Tecplot软件无法直接对odb文件进行分组显示，导致不能单独画出某一关心部分的等值线图，如心墙。鉴于以上各种情况，建议采用以下方法和步骤来解决：（1）用Tecplot软件打开odb文件之后，首先用Write data file功能，将某个工况下所关心的所有物理量值以及节点坐标写到一个data文件里；（2）将data文件中的物理量值导入Excel软件中进行符号和单位变换之后，再重新导回data文件中；（3）将odb文件中不能导到Tecplot里的某个物理量先从odb文件里写出来，写入到一个文本文档中，然后再把这些数值复制到data文件中各个物理量数值的后面，再在data文件里给新添加进去的物理量赋予一个名字，即在VARIABLES的后面写一个名字即可；（4）将data文件中列出的整个有限元模型的所有单元，替换为关心部位的单元，并修改单元总数；（5）对于三维模型要画二维等值线图的特殊情况，采用Tecplot软件中的切片功能即可。通过以上各个步骤的操作，可基本解决ABAQUS软件和Tecplot软件的对接问题，从而画出准确、明晰、符合要求的等值线图。
本文总结了ABAQUS软件应用于土石坝数值计算的一些经验和技巧，分别从建模、计算和结果处理等各个方面进行了探讨，主要得出以下主要经验：（1）基于一张Skectch草图建立所有的Part，以建出精确的几何模型；（2）心墙厚度方向上至少划分2层～4层网格，以使计算结果趋于真实；（3）在进行地应力平衡时，将导入的应力文件中数值的6位有效数字全部调出，以减小误差；（4）每个分析步的荷载至少按10个增量步来施加，以较好地体现分析步内每个填筑层对坝体非线性的影响；（5）用过渡单元类型区分无限元与有限元；（6）通过调整inp文件中的关键字来生成重启动文件和减小结果文件的大小，以避免计算机突发事件带来的不利影响；（7）调整结果文件中物理量的符号和单位之后再画等值线图，以符合工程相关要求。以上结论可以方便从事相关计算的人士进行交流和探讨，并为扩大ABAQUS软件在土石坝计算中的应用范围提供了参考和借鉴。

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