基于Python的ABAQUS/CAE二次开发及其应用

(华南理工大学土木与交通学院　广东　广州　510641)

概述

随着城市轨道交通的发展，盾构法隧道工程技术在城市轨道交通建设方面应用越来越广泛。盾构法施工必然对周围土体产生扰动从而导致土体变形，施工措施采用不当可能影响隧道周围城市建筑物及管线等的正常使用，因此有必要对盾构施工过程中盾构对周围土体扰动进行研究，而现场监测代价较大，受场地因素制约较多，数值模拟尤其是有限元模拟便成为了目前最有效且应用最为广泛的研究手段之一。近几十年以来，有限元模拟从二维有限元模型[1]到三维弹塑性有限元模型，模型的精细化程度不断增加，其中，国内孙钧等人使用了三维弹塑性有限元分析来计算开挖产生的位移等[1]，目前地层结构法的有限元模型可以考虑包括地下水、盾构与土层之间的摩擦作用，液压千斤顶以及盾尾注浆等影响因素，并且可以通过改变材料性质考察注浆材料和土层材料的性质对盾构隧道的影响[2-4]。研究表明，盾构隧道施工对周围土体的扰动与泥水舱压力、注浆压力等施工参数有关，因此采用地层结构法的有限元模型需要需要考虑的因素较多，模型复杂度非常高。

由于模型需要考虑较多因素，建模过程中需要处理模型各部件复杂的相互作用，后处理亦有大量数据需要提取分析，都需要耗费大量的时间。本文以大型通用有限元软件ABAQUS为平台，通过ABAQUS提供的GUI接口，编写Python脚本子程序进行二次开发，实现了自动化、参数化分析，提高了有限元模型前后处理的效率。

本文将利用目前应用较为广泛的方法建立三维弹塑性有限元模型，并介绍如何利用python实现其自动化及参数化建模。

一、盾构施工数值模拟

随着各种数值计算软件的出现与快速发展,基于连续介质的地层结构法开始被引入到盾构隧道的数值分析当中，结合盾构隧道施工现场的施工工序、支护加固型式等，建立相应的弹塑性三维有限元模型。本文参考张云等人的研究，利用等代层模拟盾构管片外围的注浆层，并利用变刚度法模拟盾构施工的掘进过程[5]。

本文中模型假定盾构隧道采用泥水平衡盾构机施工，盾体外径为10 m，机身长度为12 m，在刀盘后10 m的位置拼装管片。假定盾构隧道管片采用C40钢筋混凝土管片衬砌，隧道管片设计内径8.5 m，外径9.5 m，每一环管片厚度为0.5m，宽度为2m。

假定计算区域内的土体为均质的粉质粘土，土体本构模型采用应用最为广泛的摩尔库伦模型，其重度18kN/m3，粘聚力18 kPa，摩擦角15度，衬砌采用纯弹性模型，弹性模量及泊松比按照混凝土结构设计规范建议的C40混凝土参数设置[6]。注浆层参考张云等人提出的等代层法[5]，将其简化为衬砌外一层厚度为0.3m的线弹性材料，注浆层弹性模量随分析步改变，注浆体单元刚激活时模量取为0.5 Mpa，泊松比0.3，当盾构掘进到下一环时模量取为1 Mpa，泊松比取为0.2，容重不随分析步改变，取21 kN/m3。盾构机采用线弹性模型，弹性模量及泊松比按照钢材Q235取值。

图 1　有限元模型示意图

模型尺寸高度约为60 m，长度约为60 m，宽度约为40 m，管片厚为0.5 m，注浆层厚0.5 m，模型示意图如图1所示。

采用刚度迁移法模拟盾构开挖过程，通过杀死土体单元模拟土体的挖除，激活衬砌单元模拟衬砌的安装，激活注浆体单元及施加注浆压力模拟注浆过程，在掌子面施加注浆压力模拟泥水舱对掌子面的支撑作用，激活和杀死盾构单元模拟盾构机掘进。

二、ABAQUS二次开发

上述有限元模型由于分析步较多、模型部件多等，利用传统的ABAQUS/CAE手工建模耗时过多。模型的前处理中需要将土体、衬砌、注浆层及盾构都分割成10段以上，并逐段设置土体与注浆层、注浆层与衬砌、盾构与土体之间的接触关系。分析步多达10步以上，需要在每个分析步定义各段土体、衬砌、注浆层和盾构的单元激活和杀死。手工建模前处理过程需耗时约6个小时，且由于模型复杂，极易出错。

ABAQUS内嵌了脚本语言Python并提供了完善的二次开发接口，上述操作若采用Python脚本只需几分钟便可完成。脚本的编写思路如下：

(1)接收模型参数：通过脚本交互窗口接收用户输入的参数，包括模型长宽高、隧道埋深及相应的各材料参数和盾构施工参数。

(2)创建并分割部件(part)：利用BaseSolidExtrude()方法分别创建土体、衬砌和注浆体、盾构机的三维实体模型，并利用PartitionFaceBySketch()方法及PartitionCellByExtrudeEdge()将部件分割成多段。

(3)赋予模型材料参数：利用material()方法及HomogeneousSolidSection()方法创建材料属性，利用循环及SectionAssignmen()将材料参数分别赋予不同的部件。

(4)创建分析步：GeostaticStep()创建地应力平衡步，StaticStep()创建静力分析步。

(5)定义单元生死：用循环和ModelChange()定义各个分析步中单元的杀死和激活。

(6)边界及荷载：Gravity()方法施加重力荷载，Pressure()方法施加泥水舱压力和注浆压力。

(7)划分网格：seedPart()方法布全局种子，seedEdgeBySize()方法布置局部各个边的种子，并用meshGenerate()划分网格。

三、结论

基于 Abaqus 的二次开发功能，通过Python脚本子程序实现快速建模，实现了盾构隧道施工计算繁复建模过程的自动化、参数化，提高了分析效率。通过计算实例，体现出该方法相对于手工建模的优越性。为其他类似工程应用提供参考。

【参考文献】

[1]刘洪洲,孙钧.软土隧道盾构推进中地面沉降影响因素的数值法研究[J].现代隧道技术,2001,06:24-28.

[2]王明年,张晓军,苟明中,崔光耀.盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究[J].岩土力学,2012,33(01):273-279.

[3]刘红兵.土压平衡盾构隧道施工引起的地表沉降三维数值模拟[D].中南大学,2007.