CN113204910A - 一种基于abaqus的根土复合体有限元模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型建模方法，属于边坡防护研究技术领域，利用拔出盒进行拔出试验获得根系拔出的力学曲线，通过Cohesive Surface和Coulomb Friction相结合的方式模拟根土相互作用，由拔出试验获得根土作用属性，并通过模拟拔出试验过程对模型进行初步验证，之后通过对比直剪试验与仿真的Mohr‑Coulomb参数来确定模型的准确性，结果表明此方法构建的有限元模型能够准确描述根土复合体的力学性质和加筋原理。本发明能够提高根土复合体有限元模型的准确性，经直剪试验验证仿真结果和试验值误差不超过5％。为工程设计提供参考。

Description

一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型的建模方法

技术领域

本发明属于边坡防护有限元建模技术领域，尤其涉一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型建模方法。

背景技术

大量的人工边坡和自然灾害会造成严重的水土流失和土壤滑坡，植物根系对不稳定斜坡具有加固作用，生态固坡工程能够减少相关自然风险带来的损失。为了能够更加深入的了解根系对土壤的加固作用，许多学者对根土复合体加筋机理的研究工作不断深入，不仅通过试验，也从数值模拟的角度研究根系对土壤性能的影响。所以需要建立一种准确合理的根土复合体有限元模型，在模型的建立过程中根土之间相互作用的模拟方式尤其重要。

目前常用的有限元根土相互接触方法包括根系采用梁单元建模之后嵌入土壤模块的方法，和根系采用实体单元，使用节点与节点(NTN)、三节点线元素(LE)和点对面(NTS)等方式对根土相互作用进行描述的方法。

以上方法均存在着各自的缺陷，梁单元方法只能考虑根系和土壤本身的性质，基于根系滑移不是直接发生在根土界面，而是发生在根系周围的相邻颗粒中的原理，无法对根土滑移力进行正确的表述；余下三种采用实体单元的方法无法在根土界面产生大位移且考虑根土黏附作用的条件下使用。需要一种更准确的三维条件下考虑根系和土壤颗粒之间黏附与摩擦的相互作用模型。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于ABAQUS的根土复合体建模方法。

一种基于ABAQUS的根土复合体建模方法，将根土之间的相互作用分为黏附力和摩擦力两部分，如图1所示，用Cohesive Surface和Coulomb Friction相结合复合作用的方式来模拟，同时发明了一种方便于MTS万能试验机使用的拔出试验盒。该方法包括以下步骤：

步骤一、如图2、图3和图4所示，利用拔出盒进行拔出试验获得根系拔出的力学曲线；

步骤二、利用步骤一获得的试验数据得出有限元根土接触属性，利用ABAQUS对根土复合体拔出试验进行仿真模拟，得出相应的拔出力和位移曲线并与试验进行对比验证模型的有效性；

步骤三、利用步骤二得出的有限元根土接触属性建立直剪试验有限元模型，得出相应的Mohr-Coulomb参数并与试验结果进行对比，进一步验证模型的有效性。

所述的步骤二建模具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS建立根系和土壤模型，进行装配；

2.2)使用通用接触添加Coulomb Friction模型；使用通用接触里面独立截面材料赋予选项添加Cohesive Surface模型；

2.3)施加位移边界条件及载荷边界条件

所述的步骤三验证具体步骤如下：

3.1)将仿真结果输出拔出力和位移数据与步骤一中的拔出实验结果进行对比；

3.2)进行直剪试验和相应的仿真

3.3)将直剪试验和仿真输出的剪切力和位移进行对比；

3.4)绘制剪切应力和轴向载荷曲线，通过对比仿真与试验的Mohr-Coulomb模型参数验证模型的有效性。

本发明的有益效果：

本发明能够提高根土复合体有限元模型的准确性，经直剪试验验证仿真结果和试验值误差不超过5％。为工程设计提供参考。

附图说明

图1为根图相互接触作用原理图。

图2为拔出盒模型的主视图。

图3为拔出盒模型的俯视图。

图4为图2的A-A剖视图。

图5为拔出试验模型示意图。

图6为直剪试验模型示意图。

图7是建立一个根土复合体模型及验证的流程图。

具体实施方式

一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型建模方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤一、首先采集根系和土壤分别进行拉断试验和三轴试验，得到根系相应的材料参数，包括线性刚度、塑性参数及破坏准则；得到土壤相应的材料参数摩擦角、内粘聚力等。

步骤二、如图2、图3和图4所示，，利用拔出盒进行单根拔出实验，得到相应的拔出力和位移曲线，进而计算出需要输入的Cohesive Surface参数。

步骤三、建立根土复合体有限元拔出实验模型，以相同的试验条件对拔出试验进行仿真模拟，输出拔出力与位移并与试验进行对比，初步确定模型的有效性。

步骤四、由于加根土仍遵循Mohr-Coulomb准则，所以通过对比直剪试验和模拟得出相应的Mohr-Coulomb参数，进一步的验证模型的有效性。

所述步骤二制作拔出试验样本具体步骤如下：

2.1)如图2、图3和图4所示，，将拔出盒支架3放入MTS万能试验机上并进行夹持；

2.2)如图2、图3和图4所示，，将根系通过上盖板2中的通孔放入拔出盒中，打开侧板1加入土壤进行压实；

2.3)如图2、图3和图4所示，盖上侧板1，打开上盖板2，将根系一端用柔软的纸巾包裹，由MTS万能试验机夹持装置夹持，完成试验样本的制作。

所述的步骤三具体步骤如下：

3.1)如图5所示，使用ABAQUS，建立拔出实验根土复合体模型，根系使用实体单元、弹塑性材料模型，土壤使用实体单元、Drucker-Prager材料模型，材料属性由步骤一获得；

3.2)在Interaction模块建立接触属性，包括计算得出的Cohesive Surface参数：Cohesive behavior和Damage；还有依据前人工作结果得到的Coulomb-Friction参数：Tangential behavior和Normal behavior，将两种属性于General Contact模块结合起来，共同模拟根土之间的相互作用；

3.3)在Mesh模块对根系和土壤划分网格，均使用六面体网格进行划分；

3.4)施加位移边界条件及载荷边界条件，均与拔出实验条件相同，拔出速度为20mm/min，边界调节设置为土壤模型底部和四周表面的节点限制三自由度的位移，旋转自由度不被限制。

所述的步骤四具体步骤如下：

4.1)如图6所示，建立根土复合体直剪试验模型，模型单元材料使用如3.1)所述；

4.2)建立相互作用属性，包括根系与土体之间的接触如3.2)所述，土体与剪切盒之间的接触采用Coulomb-Friction作用即可，于Tangential behavior中输入土体摩擦因素，Normal behavior中选择Hard contact即可；

4.3)在Mesh模块对根系和土壤划分网格，均使用六面体网格进行划分；

4.4)施加位移边界条件及载荷边界条件，均与直剪试验相同，剪切速度为0.8mm/min，剪切位移为4mm；

4.5)输出剪切盒支反力和位移，由公式τ＝F/A计算得出根土复合体的抗剪强度，代入Mohr-Coulomb准则所得仿真与试验参数如表1所示；

表1：直剪试验仿真与试验所得Mohr-Coulomb参数及相关系数

由表1可知对于素土和不同加根土其模拟与试验所得Mohr-Coulomb参数误差均不超过5％，表明本发明建立的有限元模型能够准确的描述根土复合体的力学性质，对指导工程实际问题具有重要的科学价值。

Claims (1)

1.一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型的建模方法，其特征在于：将根土作用力分为黏附力与摩擦力两部分，并分别用Cohesive Surface和Coulomb Friction进行模拟，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先利用拔出盒和MTS万能试验机测得根系拔出力和位移曲线图；

步骤二、利用步骤一获得的试验数据得出有限元根土接触属性，利用ABAQUS对根土复合体拔出试验进行仿真模拟，得出相应的拔出力和位移曲线并与试验进行对比验证模型的有效性；

步骤三、利用步骤二得出的有限元根土接触属性建立直剪试验有限元模型，得出相应的Mohr-Coulomb参数并与试验结果进行对比，进一步验证模型的有效性；

所述步骤二具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS建立根系和土壤模型，进行装配；

2.2)使用通用接触添加Coulomb Friction模型；使用通用接触里面独立截面材料赋予选项添加Cohesive Surface模型；

2.3)施加位移边界条件及载荷边界条件；

所述的步骤三验证具体步骤如下：

3.1)将仿真结果输出拔出力和位移数据与步骤一中的拔出实验结果进行对比；

3.2)进行直剪试验和相应的仿真；

3.3)将直剪试验和仿真输出的剪切力和位移进行对比；

3.4)绘制剪切应力和轴向载荷曲线，对所得Mohr-Coulomb模型参数进行对比验证模型的有效性。

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