solid186与solid185单元对比:结果差异分析

对于做岩土类数值分析的同学来讲,常见的模拟单元最为熟悉的莫过于Plane42以及Solid45单元,前者用于二维实体分析,后者用于三维实体分析,而随着ANSYS版本的逐渐更新,这两种老旧单元被新单元Plane182以及Solid185替代,而当同学们采用新的单元来模拟岩土类本构模型时,若采用经典DP材料模型,点击求解之后会出现如下错误:

EDP plasticity: Yield Function Not Defined for element 571 and material   1.

这种错误一旦超过一定条数,ANSYS会立马闪退,这让学习ANSYS岩土类分析的同学们很是抓狂,今日水哥就简单解释下出现这种情况的原因以及解决方法。


出现这种错误的主要原因在于经典DP材料模型已不在适用于高级单元Plane182/183、以及Solid185/186。

DP材料模型虽然经典,但无法反映材料硬化、屈服面单一等问题,下列为实测岩土应力应变曲线与软件材料模型的差异性对比图。

solid186与solid185单元结果对比下载的图1

为克服经典DP模型的一些缺点,ANSYS开发了扩展DP模型,简称EDP,打开ANSYS HELP,查看Plane182/183、Solid185/186支持的材料模型列表,发现已经没有经典DP材料模型,而与DP材料有关主要有两个:

1、Drucker-Prager concrete

2、Extended Drucker-Prage

solid186与solid185单元结果对比下载的图2

Plane182/183单元支持材料本构模型

solid186与solid185单元结果对比下载的图3

Solid185/186单元支持材料本构模型

显然,若要使用Plane182/183、Solid185/186来模拟岩土,则必须使用Extended Drucker-Prage,也即扩展的DP材料模型,翻开ANSYS对EDP材料模型的介绍,发现其参数与传统DP材料模型输入不同,传统DP模型需要输入内摩擦角、粘聚力、膨胀角三个参数,而对于EDP材料模型,使用时除了定义屈服函数外还需要定义流动准则,根据不同的屈服函数与流动准则,输入的参数有一定差异性,如下表所示:

solid186与solid185单元结果对比下载的图4

所以若要使用EDP材料模型,就涉及到经典DP模型到EDP模型的参数转换问题,也即如何通过已知的内摩擦角、粘聚力计算得到EDP所需要的参数数值。

通过对比经典DP模型和EDP模型的屈服函数,发现EDP模型中的线性屈服函数与DP模型的屈服函数形式上相似且屈服面形状也相同,通过参数等效替换,可得到EDP参数的计算公式如下:

C1=6sin(a)/[3-sin(a)];

C2=6Ccos(a)/[3-sin(a)];

上式中,C1为EDP模型第一个参数,根据ANSYS HELP中的英文名称,可解释为应力敏感度,C2为EDP模型的第二个参数,可解释为屈服强度,a代表已知的摩擦角,C代表已知的粘聚力。

如:某泥岩,弹性模量为10Gpa,密度为2200kG/m^3,泊松比为0.23,粘聚力为7.8Mpa,内摩擦角为35度,传统DP模型输入如下:

Mp,ex,1,10e9

Mp,prxy,1,0.23

Mp,dens,1,2200

tb,dp,1

tbdata,1,7.8e6,35

为输入EDP材料模型,参数计算如下:

C1=6*sin(35)/(3-sin(35))=1.418326

C2=6*7.8*cos(35)/(3-sins(35))=15.799Mpa

故EDP材料模型输入如下,注意调用线性屈服函数,同时流动准则定义不能忘:

Mp,ex,1,10e9

Mp,prxy,1,0.23

Mp,dens,1,2200

tb,Edp,1,1,2,LYFUN   !定义线性屈服函数

tbdata,1,C1,C2*1e6

tb,Edp,1,1,1,LFpot    !定义线性流动准则

tbdata,1,C1,

为验证上述参数转换的有效性,以本公众号19年一篇文章为例,原文章采用Plane42单元模拟,材料模型采用经典DP模型,本次模拟将42单元改为182单元,材料模型采用EDP模型,

替换材料输入如下:

!===============

!外部围岩

mp,ex,3,3.6e9

mp,prxy,3,0.32

mp,dens,3,2200

*afun,deg

alph1=37

Coh1=0.6e6

!EDP材料参数计算

EC1=6*sin(alph1)/(3-sin(alph1))

EC2=6*Coh1*cos(alph1)/(3-sin(alph1))

tb,Edp,3,1,2,LYFUN

tbdata,1,EC1,EC2

tb,Edp,3,1,1,LFpot

tbdata,1,EC1

!内部挖空围岩

mp,ex,4,3.6e9

mp,prxy,4,0.32

mp,dens,4,2200

tb,Edp,4,1,2,LYFUN

tbdata,1,EC1,EC2

tb,Edp,4,1,1,LFpot

tbdata,1,EC1

!===============

结果对比:

一、等效应力场

solid186与solid185单元结果对比下载的图5

Plane42单元等效应力场

solid186与solid185单元结果对比下载的图6

Plane182单元等效应力场

二、Y方向位移场

solid186与solid185单元结果对比下载的图7

Plane42单元Y方向位移场

solid186与solid185单元结果对比下载的图8

Plane182单元Y方向位移场

三、衬砌弯矩

solid186与solid185单元结果对比下载的图9

Plane42单元衬砌弯矩

solid186与solid185单元结果对比下载的图10

Plane182单元衬砌弯矩

通过对比可发现,两者计算结果误差较小,说明上述参数等效方法能较好的实现EDP材料模型参数的输入,故而同学们在做类似岩土类模拟时可选择如下方法进行:

一、采用低级单元Plane42、Solid45,材料模型采用经典DP模型;

二、采用高级单元Plane182、Solid185,材料模型采用EDP模型,模型参数可按本文所述方法进行计算


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