运用abaqus大型仿真计算软件对一道路结构进行模拟得出路表弯沉.pdfVIP

基于ABAQUS 软件的裂纹模拟 *曹鹏1，荆儒鑫1，林星艳2 ，冯德成1 （1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨市，150090；2.黑龙江工程学院，哈尔滨市， 150090） 摘 要：这一阶段笔者主要是利用有限元软件abaqus 中包含的裂纹模拟方法进行了一些研究与 试算，同时使用了塑性损伤理论对于一些道路标准试验进行了模拟。 1 引言 Abaqus 模拟裂纹的方法在abaqus 的说明文件中没有具体的阐述，所以笔者主要是通过一些 论坛和他人文献中对于裂纹的模拟方法进行了汇总，现在阶段主要的研究方法包括： [1] 在裂纹存在的位置预置一条crack 。由于这条crack 存在着裂纹尖端的位移奇异性模拟功 能，可以模拟裂纹尖端的位移场，然后通过计算可以得到载荷作用下的裂纹尖端应力强 度因子。 [2] damage Initiation l 模型，这一模型是基于损伤理论，可以模拟材料刚度的减小 （degradation ）。如果在explicit 中使用这一方法可以实现单元删除功能，来模拟裂纹扩 展形式！ [3] cohesive element 方法，这一方法是基于研究界行为来模拟断裂扩展形式的！可以使用它 在材料薄弱处预置这样一条（或一层）cohesive element，并对于这一位置的cohesive element 进行单独的本构定义，使用它可以实现界面分离，界面弱化等功能 [4] Xfem ，这一方法现阶段只能在abaqus6.9 中实现，但是在网上公布的算例中可以发现能 够较为完整的模拟裂纹断裂形式，尤其是模拟任意路径的裂纹断裂形式。 笔者现在对于上述的每一种方法进行了研究，现介绍如下，同时对于各种方法给出算例进行 说明，并介绍它们的优缺点及各种方法的使用范围。 2 预置crack 的方法模拟裂纹 2.1 理论与适用范围 1 1 r r 基于断裂力学的理论可知，在裂纹尖端应力场表达式中存在着 的奇异性，即 趋近于0 的时候应力为无穷大，一般单元无法实现这一功能，所以无法计算裂纹尖端的应力强度因子。 Abaqus 的预置crack 可以较好的解决这一问题，其原理就是在等参单元中将等参元的中间节点 变换到1/4 的位置，这使得abaqus 计算的位移场可以较好的吻合理论中的位移值[1]。 这种方法的适用范围一般是已知裂纹存在的位置，然后计算裂纹尖端的强度因子。在道路工 程中的应用一般可以分为几类。 第一类：已知基层裂纹的位置，想要了解在载荷作用下裂纹尖端强度因子是多少，是否会在 车轮载荷的作用下扩展，使用本方法能够计算得到预置裂纹尖端的应力强度因子，然后与材料的 极限值进行比较确定面层材料是否会发生断裂，在结构安全情况下也可以通过比较材料固有应力 强度因子与计算值确定安全系数[2]。 第二类：由于基层与面层的弹性模量不同时，或者在铺设道路的过程中加设应力吸收层时， 对于已经存在的裂纹尖端强度因子的影响，这个时候可以选择预置crack 的方法。也可以使用这 种方法确定面层与基层弹性模量的比值，来减小基层存在裂纹时裂纹尖端应力强度因子[3]。 2.2 数值算例 这一数值算例是基于文献[2]中的例题，但是为了模拟低温情况下的路面反射裂纹行为，笔 者采用了间接耦合的方式进行了模拟。 模型描述，这一部分模拟了一个平面应变的路面模型（见图1），整个材料统一选用一种弹 性材料并使用温度间接耦合方式定义材料在不同温度时的弹性模量，由于材料的选取具有随意 性，并不是为了追求准确的结果，只是为了验证abaqus 可以实现这一功能。材料参数见下表： 表1 材料参数表 弹性模量(Pa) 泊松比 温度 （℃） 20000