水泥混凝土路面荷载应力有限元分析建模初探

杜国强

(廊坊市交通局材料供应处)

1 ANSYS简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司的产品,是迄今为止世界范围内唯一通过 ISO9001质量认证的分析设计类软件。该软件能够进行结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究,广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工等一般工业及科学研究。在世界范围内,ANSYS软件已经成为土木建筑行业CAE仿真分析软件的主流。ANSYS在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育馆场、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析,从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案,为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

一个典型的ANSYS分析过程主要包括前处理,加载与求解和后处理 3个步骤。

(1)前处理:指定作业名和分析标题;定义单元类型;定义单元实常数;定义材料特性,创建几何模型;对实体模型进行网格划分。

(2)加载和求解:定义分析类型和分析选项;施加载荷及约束;指定载荷步选项;求解初始化。

(3)后处理:从计算结果中读取数据;对计算结果进行各种图形化显示和列表显示;进行各种后续分析。

2 刚性路面体系力学计算的理论假设及其存在的问题

目前,刚性路面应力分析和设计的方法,多数是以弹性地基薄板为基本力学模型。弹性地基包括温克勒地基,弹性均质半空间地基和弹性层状半空间地基。

将板体置于弹性地基之上并与之共同作用,在求解时对板与地基之间的联系作以下假设:

(1)在变形过程中,板与地基始终紧密接触,因此,地基顶面的垂直位移与薄板中面的垂直位移相等;

(2)板与地基的接触面上无摩阻力,可以自由滑动,也就是说层间水平剪力为零,地基对板体只有垂直作用。

上述两项假设存在一个显而易见的问题,没有考虑层间摩阻力,而事实上,层间接触不可能完全光滑,接触面上肯定存在摩阻力,如果不考虑摩阻力计算结果必然与实际值有差别。

此外,在实际工作中,板下地基是一个多层半空间体,但由于其在数学计算上的复杂性,多采用地基模量当量换算的办法简化多层地基,由此计算出的荷载应力也必然与实际值有出入。

3 ANSYS在刚性路面力学中的应用

用ANSYS模拟刚性路面体系,采用实体建模的形式,下面介绍模拟地基和刚性路面板力学行为所用到的单元及其使用方法;边界条件的处理和加载求解的设置。

3.1 地基的模拟

在路面体系力学计算中假定地基在水平方向和深度方向均为无限,而在ANSYS中建立模型时不可能把模型建立为无限大,因此,只能取路面模型的长、宽、深为足够长,用solid45单元模拟弹性层状地基的作用,包括基层、垫层和土基,各层分别建立模型,设定各自的材料属性(弹性模量、泊松比)和实常数,solid45单元用于三维实体结构模型,共 8个节点,每个节点3个自由度:X、Y、Z三个方向。该单元有塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力,其质量矩阵为集中质量矩阵,是对角阵,刚度矩阵是对称的一致矩阵。

也可以把土基的作用简化为土弹簧,即温克勒地基模型,用弹簧单元combin14模拟,也可以用链杆单元Link10模拟,在设定链杆单元Link10的关键字时,让link10单元只能受压不能受拉。用弹簧单元和链杆单元的好处是可以通过去除相应位置的弹簧或链杆来模拟地基的脱空。

3.2 刚性路面板的模拟

如果路面板受力状态在弹性范围内,可以用solid45单元,如果考虑到水泥混凝土路面板的一些非线性特性,或者是配筋的路面板,就用solid65单元模拟刚性路面板,该单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋(或玻璃纤维,型钢等)以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等参元solid45单元的基础上,增加了针对于混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。solid65单元本身包含两部分:一是和一般的8节点空间实体单元solid45相同的实体单元模型,但是加入了混凝土的三维强度准则;二是由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型,它可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数。

3.3 各层之间的接触处理

如果各层之间接触条件完全连续,则应该在划分完网格后对重合结点进行合并和压缩,Preprocessor/Numbering Ctrls/MergeItems,在随后的对话框中选择All进行合并;Preprocessor/NumberingCtrls/CompressNumbers,在对话框中选择All进行压缩。

如果层与层之间完全光滑或者半连续,有两种方法可以实现。一是利用弹簧单元combin39,该单元可以很方便的设定界面上的剪力——滑移关系,并且有多种滑移模型可供选择。二是利用接触单元,ANSYS软件内部提供了点点接触、点面接触、面面接触等多种接触模型。可以用面面接触单元来模拟板与地基之间、层状地基的层与层之间的接触与滑移关系,并且可以设定板与地基之间、层与层之间的摩擦系数。从而克服了刚性路面体系力学计算中的第二个理论假设所存在的问题,使计算模拟更接近实际情况。

3.4 边界约束

对模型的边界有两种处理方法:一种是假定地基的前、后、左、右各节点只有竖向位移没有横向位移;模型最底部各节点采用固定约束,既无竖向位移,又无横向位移,路面板四周无约束。第二种方法可以将路面两侧的土压力认为是弹性压力,路面的底部简化为弹性地基,均采用三维弹簧单元来模拟。如果模型是对称结构,荷载也是对称的,可以建立一半模型,以节省计算机资源。

3.5 加载与求解

轮胎的印迹按规范应取为当量圆形式,但是为了方便网格的划分,可以把轮胎的接地印迹取为等面积的矩形。加载完后,保存模型数据就可以求解了。如果模型没有涉及到非线性,即路面板单元为solid45单元,并且板与地基之间,地基的各层之间都是连续接触,直接在主菜单中进行如下操作:Solution/Solve/CurrentLS,就可以求解了。如果模型涉及到非线性,例如路面板单元为solid65单元,或者板与地基之间,地基的各层之间用到了接触单元,则需要在Solution/ Sol'Controls打开的对话框中进行求解设置,比如荷载步、子步的大小,收敛准则的设置,是否打开自动时间步等,一般而言,子步越多,精度越高,但是以计算机运行时间的增加为代价。

3.6 后处理

在ANSYS的后处理器中可以查看任何节点、单元的数据。这些数据具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式。此外时间历程分析功能可以对载荷叠加进行分析计算。

4 应该注意的问题

(1)一般说来,网格划分的越密计算精度越高,但是计算工作量也越大,应力集中越严重,在容易出现应力集中的部位要避免出现过小单元。所以,划分网格时应该兼顾计算精度和工作的经济性,遵循一定的原则:

①在满足精度要求的前提下单元数目尽量少,以提高计算速度,减少机时。

②在关心计算结果处采用较密网格,提高计算精度。

(2)六面体单元一般比四面体单元计算要稳定且收敛性好,因此,应该尽量使用六面体单元。

(3)正确选择收敛准则,这是针对非线性求解过程而言的。在ANSYS中可以将收敛检查建立在力、力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上,而且每一个项目可以有不同的收敛容限值。其中以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度,而以位移为基础的收敛仅提供了表现收敛的相对量度。因此最好使用以力为基础(或以力矩为基础)的收敛容限,如果需要可以增加以位移为基础(或以转动为基础)的收敛检查,但是通常不单独使用它们。

随着计算机技术的飞速发展和有限元技术的日趋成熟,大型通用有限元软件被越来越多地应用,这些软件的出现给路面力学计算带来了新的突破。

[1] 公路水泥混凝土路面设计规范(JTJD40-2002)[S].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 魏连雨,张海荣,刘召伟.旧沥青路面上加铺水泥混凝土层的力学分析[J].河北工业大学学报,2008,(6):94-99.

[3] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[4] 谈至明,姚祖康.层间约束引起的双层水泥混凝土路面板的温度应力[J].交通运输工程学报,2001,1(1):25-28