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1、韩国建设技术研究院,岩土有限元数值分析 建模注意事项,midas GTS NX 产品发布会暨岩土数值分析技术研讨会,03,制定分析计划及选择分析工具的注意事项,04,建模的注意事项,有限元分析时遇到的问题分类,第1区域 资料较多但比较难以理解 用统计方法解决 第3区域 资料量较多且容易理解 容易验证是否适合(机械领域等) 岩土分析 大部分处于资料较少的第2和第4区域 第3区域的分析理念和方式很难直接应用于第2、第4区域的问题 在分析前有必要将第4区域的问题简化为 第2区域的问题,第3区域的问题简化起来依据较为充分，但是对第2、第4区域问题纠结于问题的细节，不敢进行简化，总希望按照所见的情况一模
2、一样的建立模型 第2区域和第4区域: 对结果不好做出判断，对建立的模型的准确性也没有信心 大多数问题无法进行客观性的验证 要承认目前存在的问题，需要开发出符合客观逻辑的近似方法进行验证(但是验证时要避免使用粉饰性语言来证明),有限元分析时遇到的问题分类,建模时要对实际情况进行简化 建模不是模拟实际情况，而是对模型的简化过程 建模时要以解决的问题为中心 对模型的设计与其关注体系的细部事项，不如关注于你要从模型中解决的问题是什么。这对简化模型的思路有很大帮助。 要建立简单的模型 建立很多个简单的模型要比建立一个复杂的模型会更有效率. 模型简单时容易对结果的正确性进行判断，对于多个简单模型的结果比较
3、，会更容易理解和解决问题。 模型仅是辅助用资料 对于缺少参考资料的问题，我们建模的目的并不是为了获得绝对值，而是为了增加对该类型问题的理解，为了建立能够让工程师做出科学判断的参考资料而已。 要有耐心 建立一个简单的模型对结果进行预测。这些简单模型的结果将会为你提供获得资料的新的方式和学会如何使用资料的新的方式。这个过程的积累，将使你拥有对资料和结果的洞察力。这样的过程也可以称之为顺流型建模方法。,建模的哲学,(岩土工学数值分析，2005),建模前要明确为什么要建模，要解决的问题是什么？ 在项目初期建立测试模型时，要事先调查需要什么资料和如何对结果进行判断。但是不要等待资料完备后才开始建模，造成
4、工作的延迟，而是要建立和准备一些概念性的模型。 事先对问题中的力学概念进行了解。重要的运动规律、变形模式、有可能话还要了解破坏状态。 对要分析的各种工况的结果要有数量的预估。特别是有两种以上的建模思路时，可以事先对两种思路均建立简单模型进行比较，然后舍弃掉其中一个(即， 使用模型否决掉错误的模型和资料)。 对于重要的工况建立简单的模型或学习他人的模型。,建模的步骤,(岩土工学数值分析，2005),建立模型后，先用简单的工况进行试算，结果与期待值较为符合时再对复杂的工况进行分析。否则要对思路或模型进行改善。 当无法改善模型时(例如对三维结果比较确信，但目前只能做二维分析时)，可以建立多个模型进行
5、分析比较，使其结果接近于实际情况，这样的过程也会增加你的洞察力。 当你建立了众多的简单或简化模型，对其分析结果也较为自信时，你一定希望建立更复杂的模型，了解一下模型中忽略的部分的影响有多大。 但是，大部分建立复杂模型的着眼点并不是为了解决问题，而是为了让结果和报告变得更漂亮。如果是用于设计，应尽量开发一些基于模型原理的简单的计算公式。这些公式不是用于数值分析，而是用于设计。,建模的步骤,对数值分析人员的调查,对100多名从事数值分析工作的人进行了问卷调查(26个设计公司，5个施工公司) 问卷内容构成(24个问题): (1) 进行数值分析的现况(11个) (2) 对数值分析的理解(6个) (3)
6、 对数值分析问题的掌握(7个),对数值分析人员的调查,对数值分析人员的调查,26个设计及施工单位均拥有有限元程序，且用于数值分析 外部提供资料为规划图、地层结构、设计参数 由分析人员建立模型 按规定的格式提供岩土的沉降、应力结果，以及支护结构的内力和变形等分析结果,对数值分析现况的调查,结果比较分析,对数值分析现况的调查,结果比较分析,对数值分析现况的调查,对数值分析现况的调查,结果比较分析,数值分析时，出现较为频繁的错误 模型错误: 无法分析错误, 例如) 边界条件、单元网格的问题 分析错误: 可以分析但结果错误, 例如) 边界条件、重力方向错误等 材料特性错误: 可以分析但结果错误, 例如
7、) 地层边界、岩土和支护的特性 荷载错误: 可以分析但结果错误，例如) 各种荷载工况、荷载释放系数等 其它错误，例如) 分析区域过小、单元尺寸等,减少错误的措施(建议) 建模过程中发生的错误要不断更新在手册和程序中 分析负责人在分析后应确认位移的大小、方向是否在合理的范围内 使用理论公式简算位移值后与数值分析结果进行比较，推测输入的特性值的准确性 材料特性对结果影响较大时，与地质勘察负责人协商对参数进行适当的调整 = 要确认实际现场的材料特性(不要局限于试验室数据) 非岩土参数应尽量使用程序提供的函数，如果必须手动输入时，要确认输入的准确性。,对数值分析现况的调查,03,制定分析计划及选择分析
8、工具的注意事项,04,建模的注意事项,概 要,几乎所有的土木结构的建造都与岩土相关 岩土既是土木结构不稳定的荷载因素，也是保证土木结构稳定的重要媒介 土木结构的建造过程中对岩土的变形进行评价是非常重要的。 (过去) 使用经验和简化分析方法 当前：复杂的荷载和边界条件增多了 需要没有功能限制的分析环境 有限元法,确定分析的目的,稳定性评价是非常重要的验算内容 结构和加固材料必须要保证稳定 确保整体结构的稳定性(考虑施工阶段) 要保证相邻结构的稳定 分析是为了给设计提供所需的信息 设计比分析更重要,分析前的准备内容,分析前要进行充分的调查并收集足够的资料 包括基本的几何信息和荷载工况 为了输入正确
9、的地层信息，需要对地层进行地质勘查和评价 地层构成+基本材料信息+地层中的障碍物信息 确定材料强度是非常重要的准备内容 岩土的变形是分析的主要关注点 因此岩土的刚度值非常重要 地下水位的调查和季节水位的变化的预测也是非常重要的信息 确定相邻结构的容许变形 确定新建岩土结构的各项容许值 确定设计条件(施工时间+设计使用年限等) 是结构类型及加固工法的适当性判断基准 对确定设计分析的类型有影响,几何形状的理想化,平面应力条件,平面应变条件,几何形状的理想化,轴对称条件,对称模型的简化,岩土材料的力学模型,线弹性模型 各向同性和各向异性岩土材料,岩土材料的力学模型,非线性弹性模型,材料非线性,几何非
10、线性,Large deformation problems Remeshing required,岩土材料的力学模型,弹塑性模型,非线性分析方法,迭代法(控制荷载增量作用下的计算收敛性),弹塑性分析的收敛控制有荷载控制法和位移控制法 计算的内力和作用的外力之差，即残留力(residual force)小于设定的收敛基准值时认为收敛 加载下一个荷载增量 荷载控制法不能得到顶点以后的结果 此时需要使用位移控制法,体积力,岩土分析中非常重要的力(包括填土荷载等) 岩土分析中体积力本身就是外部荷载 与初始应力的分布密切相关 有限元分析中所有荷载均转化为节点荷载后用于分析,填土和挖土,由挖方面周围的应力
11、状态计算挖方面节点上的节点荷载(挖土荷载),初始应力,(After Wittke, 1990),第一阶段: 通过地质勘查或合理的预测方法确定各地层K0，使用该值计算各地层初始应力状态(并非通过数值分析获得，而是使用K0法计算而得) 第二阶段: 开挖前要进行初始化分析，以便获得保持应力平衡状态的初始化状态,第二阶段: 初始化,侧土压力系数,- 图例 - Case A：假定值或使用相似地质条件资料(K0=0.51.0) Case B：由现场试验确定(K0=0.31.67) Case C：使用两个以上的侧土压力系数(K0=0.5、1.0、1.5) Case D：将重力作用在无应力场地上 Case E
12、：使用泊松比、经验公式计算,韩国隧道设计中确定侧土压力系数的方法分布),侧土压力系数,影响初始应力的因素,土的自重 地表倾斜度机地形特征 侵蚀、堆积历程 地质变动历程 外力,地表水平、各向同性、理想弹性、无不连续面,条件和假定,K0 = 0.250.5,理论公式,现场 K0 测定值,硬岩 : 0.50.8 软岩 : 0.81.0 偶尔会有大于1.0的值,各向异性,考虑各向异性(不连续面),岩土加固后的各向异性,03,制定分析计划及选择分析工具的注意事项,04,建模的注意事项,使用有效和熟练的工具 应选择能考虑岩土和隧道特性的工具 要确认开发人员提供的验证报告 分析工具 熟练或可熟练掌握的工具
13、难以适合所有模型,选择数值分析工具,选择数值分析工具,Structural analysis, heat transfer, fluid flow, mass transport, and electromagnetic potential,Structural problems Stress analysis, e.g. truss and frame analysis stress concentration problems Buckling Vibration analysis,Non-Structural problems Heat transfer Fluid flow Distr
14、ibution of electric or magnetic potential,连续体分析 1. Finite Difference Method (FDM) 2. Finite Element Method (FEM) 3. Boundary Element Method (BEM) 4. Finite Volume Method (control volume method) etc,不连续体分析 1. Distinct Element Methods (DEM) 2. Discontinuous Deformation Analysis (DDA),建立与实际形状和分析条件一模一样的
15、模型就是好的模型是一个重大误区 输入过多的对分析结果产生影响的因素 将影响技术人员对问题起因的判断 了解岩土技术人员需要验算的主要内容 建立简化的模型 将输入的参数最少化 容易理解分析结果 减少岩土工程师对结果的错误判断 对不同分析阶段建立不同模型: Macro scale Micro scale, Micro scale Macro scale 模型的简化+有明确依据的假设，有利于对结果做出正确的判断,确定如何建立数值分析模型的战略,03,制定分析计划及选择分析工具的注意事项,04,建模的注意事项,确定数值分析的规模,弹性地基梁简化分析(Beam Spring) 简化的地基-结构相互作用分析
16、 简单快速的分析(最小化分析的复杂性),全尺寸分析(Full-scale) 与实际接近的模型 相关理论和模型均复杂 需要经验丰富的岩土工程师 需要了解模型的理论背景和输入的参数的物理意义,确定分析截面,隧道支护设计 模式设计 基于勘察资料沿纵向分割隧道并设置岩土等级 设置不同岩土等级的支护模式 通过数值分析进行稳定性验算 同一区段内的地质条件和现场施工条件有可能不同 不可能设置无数的分析截面 建立几个标准截面 隧道掌子面最薄弱的截面+覆土高度最高的截面(较高的初始应力)+最薄的截面(拱效应失效)可选为标准分析截面,一般取隧道宽度或高度的35倍(使边界条件对分析结果没有影响) 分析结束后一定要确认边界上的应变值(应为接近于“0”的值) 确定分析区域时，应慎重考虑地层
