搜索地基沉降下管道的有限元应力分析
2017-08-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
前段时间帮朋友看了一个分析,想想虽然是很基础的静力分析,但是却挺有意思的,因此准备小小的总结一下,希望对有需要的伙伴提供帮助。论文的模型是参考期刊-《Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement》中的分析模型,因此想对该问题进行更加细致的研究的伙伴,可以参照此文。
①分析背景
石油、天然气管道多为埋地,而土壤常常又受到酸雨、地震等外界因素的影响导致塌陷,因此对埋地管道进行土壤塌陷情况下的应力变形分析以合理的设计管道的结构以及安装具有指导意义。
②实际模型
如上所示,土体尺寸为长*宽*高:10m*3m*1.8m,管道外径:110mm,厚度:10mm。其中土体有一半从上表面开始坍塌,坍塌深度为0.5m,试分析管道的应力及变形情况。
③注意事项
①由于分析模型具有对称性,因此这里只用建立一半模型即可。
②管道相对于整体来说过薄,因此使用壳体分析以节约计算量。
③边界的设定主要基于圣维南定理,忽略远处土体的影响,因此大部分边界采用固定约束(具体加载见后)。
④几何模型
三维模型的建立在任意三维建模软件中进行,推荐使用solidworks(上手快,适用于新手)。其中土体采用实体进行建模,尺寸如上,内部挖去安装管道位置。管道由于后续使用壳体建模,因此这里只用建模出管道中面,中面直径为100mm。其次,为了方便网格划分,避免ansys中进行繁琐的切分,因此这里在三维建模软件中进行切分即可,切分好之后的模型如下:
⑤分析模型的建立
A.模型导入
将上述建立的三维模型另存为x_t格式文件,通过ansys窗口的file-import导入所有实体(包括实体以及面),并更改显示方式为normal。需要注意的是,由于x_t默认是使用m作为建模单位导入,为了方便后续划分网格和数据处理,这里统一使用mm,t,s单位制,因此导入的模型还需要进行放大处理,使用pre7-modeling-operate-scale对土体以及管道进行放大1000倍,得到mm单位制下的几何模型。然后使用布尔操作glue将实体与实体,面与面进行边界共用,以便后续网格划分。
B.单元选择
土体部分使用实体单元建模,使用ansys现在推荐的单元solid185,管道使用壳体单元建模,使用推荐单元shell181,在section选择类型为shel,定义厚度为10mm。
C.材料属性设定
根据论文所述,PE管道采用理想弹塑性本构模型,参数如下:
土体采用Drucker-Drager材料本构,该材料模型能够较好的模拟土体的力学性能,参数如下:
D.接触设置
这部分接触设置比较简单,利用接触向导设置土体与管道的接触对即可,摩擦系数为0.15,管道设置为目标面,土体设置为接触面,注意调整接触对的法相方向并且考虑壳体的厚度(这里十分关键,否则无法设别实体与壳体的接触对)。设置好后的接触对如下:
E.网格划分
分配好属性之后,由于前面模型已经划分好了,因此网格只需定义一些边界的特殊尺寸就可以得到比较好的网格模型。这里将管道界面划分为16分,靠近管道的土体划分的尺寸小一些,之外部分尺寸适当大一点,得到如下有限元模型:
根据前面所述,这里对土体前半部分上表面施加向下的位移约束0.5m,土体另一端和靠近约束端底面施加全固定约束,其余表面均施加x与z方向的位移约束,未施加强制性位移约束的上表面施加自由,中间平面施加对称性约束,管道的约束施加与土体相同。这里可以参照论文中所述:
G.分析设置
静态分析,打开大变形开关,初始时间步设为100步,打开自动时间不长,输出每一子部。(快成顺口溜了)
⑥后处理
分析完成后得到如下分析结果:
总位移云图
米塞斯应力云图
管道米塞斯应力云图
当然,根据需求也可以提取相应的云图以及应力曲线,这里就不做过多说明。当然想得到更为精确地分析结果,除了网格外,几何模型,边界条件也要作出更加贴近的简化,这里给出一个简单的流程。
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