基于Ansys的路基沉降可靠性有限元分析

1、基于Ansys的路基沉降可靠性有限元分析1引言路基的沉降計(jì)算和預(yù)測(cè)在道路工程中有著十分重要的意義，解決軟基路堤沉降問(wèn)題，是高速公路設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵所在。土體是在人類(lèi)無(wú)力控制的條件下形成的，其性質(zhì)表現(xiàn)出很大的變異性川。大量試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)表明，土性參數(shù)的變異系數(shù)遠(yuǎn)比一般的人工材料大。在地基沉降計(jì)算方面，概率分析方法可以較好地反映地基土的不確定性。目前地基沉降可靠度分析方法主要有兩類(lèi):一是直接法進(jìn)行的沉降可靠度分析，但過(guò)于簡(jiǎn)單;二是基于隨機(jī)有限元的地基沉降概率計(jì)算方法，理論比較復(fù)雜，不易掌握。所以，如何把現(xiàn)有的有限元軟件用于路基沉降的可靠度計(jì)算是很有實(shí)際意義的。ANSYS是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的有限元分析軟

2、件。已經(jīng)有學(xué)者使用ANSYS的概率分析功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做過(guò)研究。本文旨在運(yùn)用ANSYS的概率分析功能，對(duì)路基沉降可靠度進(jìn)行探討，并通過(guò)一個(gè)算例說(shuō)明其方法的可行性。對(duì)其它工程的可靠性計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義。 2可靠性計(jì)算理論簡(jiǎn)言之可靠性就是指目標(biāo)值小于某一個(gè)允許值的概率，按可靠性理論中的功能函數(shù)建立方法，如基本變量由X1，X2，Xn組成，Q為基本變量的函數(shù)，功能函數(shù)可表示為 Q=f（X）=u0-u（X）式中，u0為允許值，u為計(jì)算值，在概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論中，極限狀態(tài)方程為 f（X）=u0-u（X）=0因而求解可靠性就是求極限狀態(tài)函數(shù)f（X）0的概率。3模型建立及計(jì)算討論3.1確定性模型路基有

3、限元模型如圖1所示，上部分為路堤，下部分為路基。路基的高度為8m，路基的長(zhǎng)度為20m，路堤的高度為3m，路堤頂半寬為3m，邊坡比為1：1。采用ansys的8節(jié)點(diǎn)PLANE183單元模擬，考慮其大變形影響。使用完全牛頓-拉弗森算法。不考慮土體的排水固結(jié)，按總應(yīng)力法計(jì)算。采用Drucker-Prager模型描述土體的非線性，其屈服條件是廣義Mises準(zhǔn)則，其本構(gòu)關(guān)系如圖2和圖3所示。在D-P材料中用體現(xiàn)體積膨脹的大小，不考慮土體膨脹。模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。圖4和圖5給了確定性模型y方向的位移云圖和等效應(yīng)力云圖。有此可知：路基的最大沉降為18.55cm；最大等效應(yīng)力為88169Pa。3.2不確定性模型

4、由確定性分析的所有代碼組成.mac的分析文件，參數(shù)化分析文件的形成是可靠性分析中至關(guān)重要的一環(huán)，文件中要求包含完整的分析過(guò)程，APDL分析程序通過(guò)反復(fù)調(diào)用分析文件來(lái)求得所需的計(jì)算結(jié)果?？紤]密度與彈性模量的隨機(jī)性，設(shè)密度和彈性模量服均從正態(tài)分布?；倦S機(jī)變量見(jiàn)表2。采用ANSYS軟件的蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行可靠度計(jì)算，進(jìn)行200次循環(huán)計(jì)算進(jìn)行可靠性分析。圖6和圖7給出了路堤彈性模量和路基密度的隨機(jī)分布圖。計(jì)算結(jié)果如圖8到11所示。圖8給出了路基最大沉降量隨模擬次數(shù)的變化情況，由圖可知路基最大沉降的最大值為0.1973m,最小值為0.1609m。圖9給出了路基沉降最大值的柱狀態(tài)圖，由圖可知：路基沉降最大值出現(xiàn)頻率最高的0.18615m。圖9給出了路基沉降最大值的概率分布圖，由圖可知：路基沉降的均值為0.1973m,方差為0.7366e-2m，路基沉降最大值大于0.192m且置信度為95%的概率是20%，因此如果允許的路基最大沉降為0.192m，則可靠度為80%，可靠度的精確度與抽樣次數(shù)有關(guān)，抽樣次數(shù)越多，計(jì)算的數(shù)據(jù)越精確。圖11給出了隨機(jī)參數(shù)對(duì)路基沉降最大值的影響，由圖可知：路基的彈性模量對(duì)其計(jì)算結(jié)果影響最大。4結(jié)論從以上分析和計(jì)算可知：(1)ANSYS可以較好的處理實(shí)際工程的可靠性問(wèn)題。(2)采用apdl語(yǔ)言編制程序