搜索地基沉降下管道的有限元應力分析
2017-08-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
前段時間幫朋友看了一個分析,想想雖然是很基礎的靜力分析,但是卻挺有意思的,因此準備小小的總結一下,希望對有需要的伙伴提供幫助。論文的模型是參考期刊-《Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement》中的分析模型,因此想對該問題進行更加細致的研究的伙伴,可以參照此文。
①分析背景
石油、天然氣管道多為埋地,而土壤常常又受到酸雨、地震等外界因素的影響導致塌陷,因此對埋地管道進行土壤塌陷情況下的應力變形分析以合理的設計管道的結構以及安裝具有指導意義。
②實際模型
如上所示,土體尺寸為長*寬*高:10m*3m*1.8m,管道外徑:110mm,厚度:10mm。其中土體有一半從上表面開始坍塌,坍塌深度為0.5m,試分析管道的應力及變形情況。
③注意事項
①由于分析模型具有對稱性,因此這里只用建立一半模型即可。
②管道相對于整體來說過薄,因此使用殼體分析以節約計算量。
③邊界的設定主要基于圣維南定理,忽略遠處土體的影響,因此大部分邊界采用固定約束(具體加載見后)。
④幾何模型
三維模型的建立在任意三維建模軟件中進行,推薦使用solidworks(上手快,適用于新手)。其中土體采用實體進行建模,尺寸如上,內部挖去安裝管道位置。管道由于后續使用殼體建模,因此這里只用建模出管道中面,中面直徑為100mm。其次,為了方便網格劃分,避免ansys中進行繁瑣的切分,因此這里在三維建模軟件中進行切分即可,切分好之后的模型如下:
⑤分析模型的建立
A.模型導入
將上述建立的三維模型另存為x_t格式文件,通過ansys窗口的file-import導入所有實體(包括實體以及面),并更改顯示方式為normal。需要注意的是,由于x_t默認是使用m作為建模單位導入,為了方便后續劃分網格和數據處理,這里統一使用mm,t,s單位制,因此導入的模型還需要進行放大處理,使用pre7-modeling-operate-scale對土體以及管道進行放大1000倍,得到mm單位制下的幾何模型。然后使用布爾操作glue將實體與實體,面與面進行邊界共用,以便后續網格劃分。
B.單元選擇
土體部分使用實體單元建模,使用ansys現在推薦的單元solid185,管道使用殼體單元建模,使用推薦單元shell181,在section選擇類型為shel,定義厚度為10mm。
C.材料屬性設定
根據論文所述,PE管道采用理想彈塑性本構模型,參數如下:
土體采用Drucker-Drager材料本構,該材料模型能夠較好的模擬土體的力學性能,參數如下:
D.接觸設置
這部分接觸設置比較簡單,利用接觸向導設置土體與管道的接觸對即可,摩擦系數為0.15,管道設置為目標面,土體設置為接觸面,注意調整接觸對的法相方向并且考慮殼體的厚度(這里十分關鍵,否則無法設別實體與殼體的接觸對)。設置好后的接觸對如下:
E.網格劃分
分配好屬性之后,由于前面模型已經劃分好了,因此網格只需定義一些邊界的特殊尺寸就可以得到比較好的網格模型。這里將管道界面劃分為16分,靠近管道的土體劃分的尺寸小一些,之外部分尺寸適當大一點,得到如下有限元模型:
根據前面所述,這里對土體前半部分上表面施加向下的位移約束0.5m,土體另一端和靠近約束端底面施加全固定約束,其余表面均施加x與z方向的位移約束,未施加強制性位移約束的上表面施加自由,中間平面施加對稱性約束,管道的約束施加與土體相同。這里可以參照論文中所述:
G.分析設置
靜態分析,打開大變形開關,初始時間步設為100步,打開自動時間不長,輸出每一子部。(快成順口溜了)
⑥后處理
分析完成后得到如下分析結果:
總位移云圖
米塞斯應力云圖
管道米塞斯應力云圖
當然,根據需求也可以提取相應的云圖以及應力曲線,這里就不做過多說明。當然想得到更為精確地分析結果,除了網格外,幾何模型,邊界條件也要作出更加貼近的簡化,這里給出一個簡單的流程。
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