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材料模型手册-ABAQUS.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.83M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    材 料 模 型 手 册 1
    目录  1 简介.................................................................................................................. 5  1.1 不同模型的选用 ................................................................................... 5  1.2 局限性 ................................................................................................... 7  2 材料模拟初步.................................................................................................. 9  2.1 应力的一般定义 ................................................................................... 9  2.2 应变的一般定义 ................................................................................. 11  2.3 弹性应变 ............................................................................................. 12  2.4 用有效参数进行的不排水分析 ......................................................... 14  2.5 用有效强度参数进行不排水有效应力分析 ..................................... 18  2.6 用不排水强度参数进行不排水有效应力分析(不排水 B) ............... 19  2.7 用不排水参数进行不排水总应力分析 ............................................. 19  2.8 高级模型中的初始预固结应力 ......................................................... 20  2.9 关于初始应力 ..................................................................................... 21  4 霍克布朗模型（岩石行为）.......................................................................... 32  4.1 霍克布朗模型公式............................................................................... 33  4.2 霍克-布朗与莫尔-库伦之间的转换 .................................................... 36  4.3 霍克-布朗模型中的参数 ..................................................................... 36  5 土体硬化模型（各向同性）.......................................................................... 41  5.1 标准排水三轴试验的双曲线关系....................................................... 42  5.2 土体硬化模型的双曲线近似............................................................. 43  5.3 三轴应力状态下的塑性体积应变....................................................... 45  5.4 土体硬化模型的参数........................................................................... 46  5.5 土体硬化模型中帽盖屈服面............................................................... 52  6 小应变土体硬化模型(HSS)............................................................................ 54  6.1 用双曲线准则描述小应变刚度........................................................... 55  6. 2 HS 模型中使用 HARDIN-DRNEVICH 关系 ..................................... 56  6.3 初始加载 VS 卸载/重加载 .................................................................. 58  6.4 模型参数................................................................................................ 59  6.5 参数 0G 和 0.7γ ....................................................................................... 61  6.6 模型初始化........................................................................................... 62  6.7 与土体硬化模型的其他区别............................................................... 63  7 软土模型.......................................................................................................... 64  ' 7.1 应力和应变的各向同性状态（ 1 ' σ σ σ 3 = ） .............................. 64  = ' 2 2
    ' 3 σ σ= ）的屈服函数 ........................................... 66  ' 7.2 三轴应力状态（ 2 7.3 软土模型参数....................................................................................... 68  8 软土蠕变模型（时间相关行为）.................................................................. 72  8.1 概述........................................................................................................ 72  8.2 一维蠕变基本知识............................................................................... 73  8.3 关于变量 τc 和 εc ................................................................................ 74  8.4 一维蠕变的微分法则........................................................................... 76  8.5 三维模型............................................................................................... 78  8.6 计算弹性三维应变................................................................................ 80  8.7 模型参数回顾........................................................................................ 81  9 节理岩体模型（各向异性）.......................................................................... 84  9.1 各向异性弹性材料的刚度矩阵........................................................... 85  9.2 三个方向上的塑性行为....................................................................... 88  9.3 节理岩体模型参数............................................................................... 91  10 修正剑桥粘土模型........................................................................................ 94  11 NGI-ADP 模型(各向异性不排水剪切强度) .................................................97   11.1 NGI-APD 模型的方程 ........................................................................97  11.1.4NGI-ADP 模型界面摩擦准则 ........................................................102 11.2 NGI-ADP 模型的参数 ................................................................. .....102 12 高级土体模型的应用 ...................................................................... 106  12.1 HS 模型：排水和不排水三轴试验中的反应 ................................ 106  12.2 HARDENING-SOIL 模型在实际土工试验中的应用.................... 110  12.3 SSC 模型：一维压缩实验中的反应 .............................................. 115  13 用户定义的土体模型.................................................................................. 127  13.1 概述................................................................................................... 127  13.2 用户定义模型在计算程序中的实现............................................... 128  10.3 通过用户界面输入用户定义模型参数........................................... 137  14 结构行为...................................................................................................... 139  14.1 锚杆................................................................................................... 139  14.2 梁....................................................................................................... 139  14.3 2D 土工格栅 ................................................................................... 140  14.4 3D 土工格栅 ................................................................................... 141  14.5 2D 板 ............................................................................................... 141  14.6 板单元 3D .............................................................................. 142  3
    15 渗流模型...................................................................................................... 149  15.1 VAN GENUCHTEN 模型 ............................................................. 149  15.2 近似 VAN GENUCHTEN 模型 ...................................................... 152  4
    1 简介 用来模拟岩土的力学行为的方法有很多种，但它们的精度各不相同。例如， 线性及各向同性弹性的 Hooke 定律是最简单的应力—应变关系。由于它仅仅涉 及到两个输入参数，即杨氏模量 E，和泊松比ν，通常认为这种应力—应变关系 太粗糙了，不能把握岩土行为的本质特点。然而，对于大量结构单元和岩床层的 模拟，线弹性性质往往是比较合适的。 1.1 不同模型的选用 线弹性模型(LE) 线弹性模型是基于各向同性胡克定理的。它引入两个基本参数，杨氏模量 E 和泊松比 ν。尽管线弹性模型不适合模拟土体，但他可用来模拟刚体，例如混凝 土或者完整岩体。 Mohr-Coulomb 模型(MC) 弹塑性 Mohr-Coulomb 模型包括五个输入参数，即：表示土体弹性的 E 和 ν，表示土体塑性的ϕ和 c，以及剪胀角ψ。Mohr-Coulomb 模型描述了对岩土 行为的一种“一阶”近似。这种模型推荐用于问题的初步分析。对于每个土层， 可以估计出一个平均刚度常数。由于这个刚度是常数，计算往往会相对较快。初 始的土体条件在许多土体变形问题中也起着关键的作用。通过选择适当的 K0 值， 可以生成初始水平土应力。 节理岩石模型(JR) 节理模型是一种各向异性的弹塑性模型，特别适用于模拟包括层理尤其是断 层方向在内的岩层行为等。塑性最多只能在三个剪切方向（剪切面）上发生。每 个剪切面都有它自身的抗剪强度参数ϕ和 c。完整岩石被认为具有完全弹性性质， 其刚度特性由常数 E 和ν表示。在层理方向上将定义简化的弹性特征。 土体硬化模型(HS) 土体硬化模型是一种高级土体模型。同库伦模型一样，极限应力状态是由摩 擦角 ϕ、粘聚力 c 以及剪胀角ψ来描述的。但是，土体硬化模型采用三个不同 的输入刚度可以将土体刚度描述得更为准确：三轴加载刚度 E50、三轴卸载刚度 Eur 和固结仪加载刚度 Eoed。我们一般取 Eur≈3E50 和 Eoed≈E50 作为不同土体类 型的平均值，但是，对于非常软的土或者非常硬的土通常会给出不同的 Eoed/E50 5
    比值。 对比库伦模型，土体硬化模型还可以用来解决模量依赖于应力的情况。这意 味着所有的刚度随着压力的增加而增加。因此，输入的三个刚度值与一个参考应 力有关，这个参考应力值通常取为 100kPa (1bar)。 小应变土体硬化模型（HSS） HSS 模型是对上述 HS 模型的一个修正，依据土体在小应变的情况下土体刚 度增大。在小应变水平时，大多说土表现出的刚度比该工程应变水平时更高，且 这个刚度分布与应变是非线性的关系。该行为在 HSS 模型中通过一个应变-历史 ref 是小应变剪切模量和 γ0.7 是 参数和两个材料参数来描述。如：G0 剪切模量达到小应变剪切模量的 70%是的应变水平。HSS 高级特性主要体现在 工作荷载条件。模型给出比 HS 更可靠地位移。当动力中应用时，Hssmall 模型 同样引入了粘滞材料阻尼。 软土蠕变模型（SSC） 上述 HS 模型适用于所有的土，但是它不能用来解释粘性效应，即蠕变和应 力松弛。事实上，所有的土都会产生一定的蠕变，这样，主压缩后面就会跟随着 某种程度的次压缩。 ref 和 γ0.7。G0 而蠕变和松弛主要是指各种软土，包括正常固结粘土、粉土和泥炭土。在这 种情况下我们采用软土蠕变模型。请注意，软土蠕变模型是一个新近开发的应用 于地基和路基等的沉陷问题的模型。对于隧道或者其他开挖问题中通常会遇到的 卸载问题，软土蠕变模型几乎比不上简单的库伦模型。就像库伦模型一样，在软 土蠕变模型中，恰当的初始土条件也相当重要。对于土体硬化模型和软土蠕变模 型来说，由于它们还要解释超固结效应，因此初始土条件中还包括先期固结应力 的数据。 软土模型（SS） 软土模型是一种 Cam-Clay 类型的模型，特别适用于接近正常固结的粘性土 的主压缩。尽管这种模型的模拟能力可以被 HS 模型取代，当前的版本中仍然保 留了这种软土模型，因为 PLAXIS 的用户们已经习惯了这种模型，并且喜欢继续 使用这种模型。 改进的 Cam-Clay 模型（MCC） 改进的 Cam-Clay 模型是对 Muir Wood（1990）描述的原始 Cam-Clay 模型 的一种改写。它主要用于模拟接近正常固结的粘性土。 NGI-ADP 模型(NGI-ADP) NGI-ADP 模型是一个各向异性不排水剪切强度模型。土体剪切强度以主动、 被动和剪切的 Su 值来定义。 6
    胡克-布朗模型(HB) 胡克布朗模型是基于胡克布朗破坏准则 (2002)的一个各向同性理想弹塑性 模型。这个非线性应力相关准则通过连续方程描述剪切破坏和拉伸破坏，深为地 质学家和岩石工程师所熟悉。除了弹性参数 E 和 ν，模型还引入实用岩石参数， 如完整岩体单轴压缩强度(σci)，地质强度指数(GSI)，和扰动系数(D)。 不同模型的分析 如果要对所考虑的问题进行一个简单迅速的初步分析，我们建议使用库伦模 型。当缺乏好的土工数据时，进一步的高级分析是没有用的。 在许多情况下，当你拥有主导土层的好的数据时，可以利用土体硬化模型来 进行一个额外的分析。毫无疑问，同时拥有三轴试验和固结仪试验结果的可能性 是很小的。但是，原位实验数据的修正值对高质量实验数据来说是一个有益的补 充。 最后，软土蠕变模型可以用于分析蠕变（即：极软土的次压缩）。用不同的 土工模型来分析同一个岩土问题显得代价过高，但是它们往往是值得的。首先， 用库伦模型来分析是相对较快而且简单的；其次，这一过程通常会减小计算结果 的误差。 1.2 局限性 开发 PLAXIS 程序及其模型是用于计算实际岩土问题的。从这个观点看， PLAXIS 可以被认为是一个岩土模拟工具。土工模型是对岩土行为的一个定性描 述，而模型参数是对岩土行为的一个定量描述。尽管 PLAXIS 在开发程序及其模 型上面花了很多功夫，它对现实情况的模拟仍然只是一个近似，这就意味着 PLAXIS 在数值和模型方面都有不可避免的误差。此外，模拟现实情况的准确度 在很大程度上还依赖于用户对所要模拟问题的熟练程度、对各类模型及其局限性 的了解、模型参数的选择和对计算结果可信度的判断能力。 我们一直都在改进 PLAXIS 的代码及其模型，每一个新版本都是对上一个 版本的更新。当前版本的局限性如下： 线弹性模型 土体行为具有高非线性和不可逆性。线弹性材料不足以描述土体的一些必要 特性。线弹性模型可用来模拟强块体结构或基岩。线弹性模型中的应力状态不受 限制，模型具有无限的强度。一定要小心的使用这个模型，防止加载高于实际材 料的强度。 摩尔库伦模型 理想弹塑性模型 MC 是一个一阶模型，它包括仅有几个土体行为的特性。尽 7
    管考虑了随深度变化的刚度增量，但 MC 模型既不能考虑应力相关、又不能考虑 刚度或各向同性刚度的应力路径。总的说来，MC 破坏准则可以非常好的描述破 坏时的有效应力状态，有效强度参数 φ’和 c’。对于不排水材料，MC 模型可以使 用 φ=0，c=cu(su)，来控制不排水强度。在这种情况下，注意模型不能包括固结 的剪切强度的增量。 HS 模型 这是一个硬化模型，不能用来说明由于岩土剪胀和崩解效应带来的软化性质。 事实上，它是一个各向同性的硬化模型，因此，既不能用来模拟滞后或者反复循 环加载情形。如果要准确地模拟反复循环加载情形，需要一个更为复杂的模型。 最后要说明的是，由于材料刚度矩阵在计算的每一步都需要重新形成和分解， Hardening-Soil 模型通常需要较长的计算时间。 HSS 模型 HSS 模型加入了土体的应力历史和应变相关刚度，一定程度上，它可以模拟 循环加载。但他没有加入循环加载下的逐级软化，所以，它不适合软化占主导的 循环加载。 SSC 模型 上述局限性对软土蠕变（SSC）模型同样存在。此外，SSC 模型通常会过高 地预计弹性岩土的行为范围。特别是在包括隧道修建在内的开挖问题上。还要注 意正常固结土的初始应力。尽管使用 OCR=1 看似合理，但对于应力水平受控于 初始应力的问题，将导致过高估计变形。实际上，与初始有效应力相比，大多数 土都有微小增加的预固结应力。在开始分析具有外荷载的问题前，强烈建议执行 一个计算阶段，设置小的间隔，不要施加荷载，根据经验来检验地表沉降率。 SS 模型 同样的局限性（包括 HS 模型和 SSC 模型的）存在于 SS 模型中。事实上， SS 模型可以被 HS 模型所取代，这种模型是为了方便那些熟悉它的用户们而保 留下来的。SS 模型的应用范围局限在压缩占主导地位的情形下。显然，在开挖 问题上不推荐使用这种模型。 MCC 模型 同样的局限性（包括 HS 模型和 SSC 模型的）存在于 MCC 模型中。此外， MCC 模型允许极高的剪应力存在，特别是在应力路径穿过临界状态线的情形下。 进一步说，改进的 Cam-Clay 模型可以给出特定应力路径的软化行为。如果没有 特殊的正规化技巧，那么，软化行为可能会导致网格相关和迭代过程中的收敛问 题。改进的 Cam-Clay 模型在实际应用中是不被推荐的。 NGI-ADP 模型 NGI-ADP 模型是一个不排水剪切强度模型。可用排水或者有效应力分析， 8
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