本文選題：地下工程 + Mohr-Coulomb模型�。� 參考：《華南理工大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：地下工程中涉及的材料主要是巖土類材料,巖土的性質(zhì)非常復(fù)雜,屬于三相體摩擦類材料。由于地質(zhì)體具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、存在地下水和初應(yīng)力等特征,因此很多的巖土工程問(wèn)題很難通過(guò)解析法求解,為此可以采用有限元等數(shù)值方法來(lái)解決;巖土具有明顯的彈塑性特征,須進(jìn)行彈塑性分析才能得到切合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。考慮以上因素并為了拓寬有限元軟件ANSYS在地下工程的運(yùn)用范圍,本文利用ANSYS的二次開(kāi)發(fā)功能—用戶可編程特性UPFs,編制Mohr-Coulomb模型子程序usermat.F,對(duì)巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料非線性有限元分析。本文首先,在理解彈塑性理論中平面應(yīng)變問(wèn)題、屈服條件、硬化模型、流動(dòng)法則、加卸載準(zhǔn)則等基本概念的基礎(chǔ)上。通過(guò)Mohr-Coulomb定律,導(dǎo)出用應(yīng)力不變量表示的屈服準(zhǔn)則,考慮各向同性硬化模型和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,采用簡(jiǎn)單的處理方法消去無(wú)法確定塑性流動(dòng)方向的奇異點(diǎn),推導(dǎo)了便于數(shù)值計(jì)算的彈塑性剛度矩陣。然后,根據(jù)usermat子程序有應(yīng)力更新和輸出一致切線算子矩陣的任務(wù)。詳細(xì)闡述了求解應(yīng)力更新的回退算法中彈性預(yù)測(cè)步和塑性修正步這兩個(gè)步驟的數(shù)學(xué)和力學(xué)原理;通過(guò)增量型有限元說(shuō)明一致切線算子矩陣即彈塑性剛度矩陣。據(jù)此,采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法,編制了子程序usermat.F。通過(guò)編譯鏈接程序,將Mohr-Coulomb模型子程序?qū)階NSYS材料庫(kù)中。最后,通過(guò)兩個(gè)算例來(lái)驗(yàn)證本文模型的正確性和可靠性。通過(guò)算例一證明了子程序usermat.F能完成應(yīng)力更新的任務(wù),并在宏觀上能反映土體從開(kāi)始受力到剪切坡壞的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)算例二,說(shuō)明了自編的Mohr-Coulomb模型能達(dá)到ANSYS自帶DP模型相近的效果;另外從安全因素和土所具有的本質(zhì)屬性來(lái)考慮,對(duì)于地下工程,采用彈塑性分析才能真實(shí)反映巖土的力學(xué)特性。
[Abstract]:The materials involved in underground engineering are mainly geotechnical materials. The properties of rock and soil are very complex and belong to three-phase friction materials. Because geological bodies have the characteristics of discontinuity, heterogeneity, anisotropy, groundwater and initial stress, many geotechnical engineering problems are difficult to be solved by analytical method, which can be solved by finite element method. The rock and soil have obvious elastic-plastic characteristics, so it is necessary to carry out elastic-plastic analysis to obtain practical results. Considering the above factors and in order to widen the application scope of finite element software ANSYS in underground engineering, this paper makes use of the secondary development function of ANSYS-user programmable characteristic UPFs, compiles the Mohr-Coulomb model subprogram usermat.F, carries on the material nonlinear finite element analysis to the geotechnical structure. In this paper, firstly, the basic concepts of plane strain problem, yield condition, hardening model, flow rule, loading and unloading criterion in elastic-plastic theory are understood. By means of Mohr-Coulomb 's law, the yield criterion expressed by stress invariants is derived. The isotropic hardening model and the associated flow rule are considered, and the singularity points in which the direction of plastic flow can not be determined are eliminated by a simple treatment method. The elastoplastic stiffness matrix which is easy to calculate numerically is derived. Then, according to the usermat subroutine, there are the tasks of updating the stress and outputting the uniform tangent operator matrix. The mathematical and mechanical principles of elastic prediction step and plastic correction step in the regression algorithm for stress updating are described in detail, and the uniform tangent operator matrix, i.e. the elastic-plastic stiffness matrix, is explained by the incremental finite element method. Based on this, the subprogram usermat.F. By compiling the link program, the Mohr-Coulomb model subroutine is imported into the ANSYS material library. Finally, two examples are given to verify the correctness and reliability of the model. An example is given to prove that the subroutine usermat.F can complete the task of stress renewal and can reflect the whole process from the beginning to the failure of the shear slope. The second example shows that the self-made Mohr-Coulomb model can achieve the similar effect of ANSYS self-contained DP model, in addition, considering the safety factors and the nature of soil, for underground engineering, The elastoplastic analysis can truly reflect the mechanical properties of rock and soil.
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1914116