用ABAQUS 分析工程中的多場(chǎng)耦合問(wèn)題

《用ABAQUS 分析工程中的多場(chǎng)耦合問(wèn)題》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、ABAQUS軟件2003年度用戶論文集用ABAQUS分析工程中的多場(chǎng)耦合問(wèn)題朱以文蔡元奇（武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院武漢430072）近年來(lái)在土木工程領(lǐng)域中出現(xiàn)許多課題需進(jìn)行多場(chǎng)耦合分析，如地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)、核廢料的處理、凍土地區(qū)的巖土工程處理、飽和與非飽和土的分析、摻Mgo的混凝土壩的施工過(guò)程分析、火災(zāi)下的混凝土結(jié)構(gòu)分析等等。這些課題的共同特點(diǎn)是各種物理場(chǎng)相互之間的影響和作用較強(qiáng)烈，且往往存在非線性行為，以核廢料處理問(wèn)題為例，由于埋在地下深處的容器內(nèi)的核廢料的殘余放射作用，使容器成為一種熱源，不斷產(chǎn)生

2、熱量，核廢料容器溫度的升高，導(dǎo)致其周圍巖土介質(zhì)的熱應(yīng)力和熱變形，以及容器土質(zhì)緩沖區(qū)中的水體和水蒸汽運(yùn)動(dòng)；緩沖區(qū)土體骨架的脹縮變形又與其含水量相關(guān)，所以水與水蒸汽的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起土體骨架的變形與應(yīng)力，所以這是典型的三場(chǎng)耦合分析課題，稱為T(mén)HM（thermo-hydro-mechanic）問(wèn)題。要對(duì)這樣的系統(tǒng)進(jìn)行分析，只能采取數(shù)值方法。多場(chǎng)耦合分析的有限元法，勢(shì)必在理論基礎(chǔ)、有限元列式和實(shí)施手段上都有其需研究和討論之處。ABAQUS軟件為進(jìn)行工程中的多場(chǎng)耦合分析提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)，但由于多場(chǎng)耦合分析的復(fù)雜

3、性，在具體分析時(shí)需根據(jù)工程需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。本文結(jié)合ABAQUS在若干工程進(jìn)行討論中多場(chǎng)耦合問(wèn)題的應(yīng)用進(jìn)行討論。（一）變形場(chǎng)－溫度場(chǎng)－滲流場(chǎng)分析（THM分析）變形場(chǎng)－溫度場(chǎng)－滲流場(chǎng)三場(chǎng)耦合分析在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越重要，早在上一世紀(jì)80年代就有人研究THM數(shù)值模型，Noorishadetal.在1984年提出了THM的有關(guān)列式和有限元法原理[1]，其列式是基于Biot理論進(jìn)行擴(kuò)展的，但直至1996年才報(bào)道了相應(yīng)的有限元軟件ROCMAS。在上世紀(jì)80年代末與90年代中期，陸續(xù)出現(xiàn)過(guò)若干個(gè)TH

4、M模型的專用程序，如THAMES[2.3]，MOTIF[4]，F(xiàn)RACON[5.6]，F(xiàn)EMH[7]，F(xiàn)RIP[8]，F(xiàn)RACTURE[9]和GEORACK[10]。這些程序都是專用程序，可供選擇的單元較少，算法的適應(yīng)性有限，前后處理界面也未實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的圖形化方式，只能由少數(shù)專門(mén)人員進(jìn)行研究課題的分析，難以進(jìn)行形狀復(fù)雜的大型工程分析?？紤]了THM模型的數(shù)值分析程序還有有限差分程序FLAC[11]和離散元程序UDEC[12]。但這些程序在求解多種材料組成和三維問(wèn)題時(shí)還存在較大困難，尤其是UDEC程

5、序，由于過(guò)多地引入人為假定和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，且理論上還存在一系列疑問(wèn)，其計(jì)算結(jié)果往往不收斂。相比而言，ABAQUS是分析THM問(wèn)題的較理想的平臺(tái)。在ABAQUS/Standard中，THM模型所滿足的方程有三大類[13,14]：1．平衡方程①流體的質(zhì)量守恒方程-1-ABAQUS軟件2003年度用戶論文集?(Sρ)?ε(1?φ)?ρllVSφ+Sρ[+]=???q（1）llrl?t?tρ?tS其中φ——多孔介質(zhì)的孔隙率Sl——液相的飽和度ρS——固相的密度εV——固相的體積應(yīng)變?chǔ)裭——液相的密度qrl——

6、液相流密度矢量②內(nèi)能平衡方程?hh[(1?φ)ρe+φeSρ]=???(I+I)（2）SSlllml?t其中es——固相中單位質(zhì)量的內(nèi)能el——液相中單位質(zhì)量的內(nèi)能hI——平均熱傳導(dǎo)系數(shù)（各相平均）mhI——液相熱傳導(dǎo)密度l③動(dòng)量守恒方程??σ+ρg=0（3）m其中σ——宏觀的總應(yīng)力張量2．本構(gòu)方程①液相的飽和度是毛細(xì)壓力Pc與溫度T的函數(shù)S=S(P,T)（4）llc②達(dá)西定律：對(duì)液相而言q=?K(T,φ)?KI(?P?ρg?z)（5）rlrll其中K（T，φ）表示滲透系數(shù)，K是溫度T和多孔介質(zhì)孔

7、隙率的函數(shù)；相對(duì)滲透率Krl是飽和度的函數(shù)，所以ABAQUS給出的達(dá)西定律是廣義的達(dá)西定律。對(duì)蒸汽相、氣流由溫度梯度所支配，其計(jì)算式為q=?ρDI?T（6）rVTV其中DTV——等溫下的汽擴(kuò)散系數(shù)③液相和固相的密度公式wρl=1+β(p?p)?β(T?T)（7）wlpo0lpo0ρl0-2-ABAQUS軟件2003年度用戶論文集ρ(p?p)trace(σ′?σ′)s00=1+?β(T?T)?（8）Tg0ρK(1?φ)3Ks0gg其中β,β是假定的常數(shù)，下標(biāo)o表示參考狀態(tài)epolτowρ——液相的單

8、位體積的質(zhì)量lρ——固相的質(zhì)量密度sKg——體積模量β——因相骨架的熱膨脹系數(shù)Tgσ′——有效應(yīng)力張量，有效應(yīng)力與總應(yīng)力的關(guān)系為σ=σ?ISP，在ABAQUS/Standard中Bishop因子與液相飽和度Sl相等。l④應(yīng)力－應(yīng)變的增量公式SPdSdSlllldσ′=D:(dε-IβdT+(+)IdP+IβdP)（9）Tlswl3K3KdpdPggll對(duì)于膨脹土，ABAQUS基于試驗(yàn)給出了非線性孔隙彈性和Drucker-Prager類型的塑性模型。非線性彈性孔隙模型中，真空率（Vo