基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究

基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究

摘要：本文提出了运用有限元分析软件abaqus研究管土相互作用的几种方法，建立了相关模型，并分析了这几种方法的适用条件及其优缺点，提出了今后的研究方向，为研究管土之间相互作用提供参考。

关键词：abaqus 管土作用土弹簧 psi单元接触面法

abaqus是国际上功能最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反映土体形状的本构模型，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。abaqus的非线性性能最强，在有限元计算中独具优势。在石油行业中，经常会涉及管道与土壤相互作用的问题，这些问题直接关乎管道安全施工和运行，尤其是管道处于不均匀沉降、地震等不良条件下。研究土壤与管道的相互作用，提高求解计算的精度，对管道安全至关重要。

管土相互作用很复杂，利用解析方法求解管道的应力难度大，计算量大，利用有限元分析软件对管道的相互作用进行数值模拟，简化了计算，求解精度高。

abaqus在模拟管土相互作用时主要有以下几种方法：土弹簧法、psi单元法、接触面法。

一、土弹簧法

土弹簧法将土壤离散成一个个按照一定间距分布的弹簧，通过弹簧的刚度系数反映土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。

1.土弹簧模型

二、psi单元法

psi单元法对于大多数静力和动力问题都能够解决，可以避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点更加明显，既能保证管道本体对管道的作用，又大大减少单元的数量。但是，psi单元只有位移自由度，主要施加位移载荷，如果不知道位移载荷，就不能采用这种方法。此外，这种方法不能查看管道截面云图。

三、接触面法

如果需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必须

要采用接触算法。接触面算法通过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最后在施加的载荷条件下完成计算。接触面之间的相互作用包括两个部分：接触面的法向作用和切向作用[5]。

1.法向模型

一般来说，两物体只有在压紧状态才传递法向压力，存在间隙时不传递法向压力，这种法向行为在abaqus中成为硬接触。

四、方法比选

1.计算精度

同一个物理模型，如果越接近实际情况，求解的精度越高，如果有限元模型越简化，忽略的因素越多，计算精度越低，误差越大。计算精度：接触面法>土弹簧法>psi单元法。

2.计算时间

模型的大小和计算求解的方程数量决定了计算时间，对于同一个

物理模型，按照时间排序为：接触面法>土弹簧法>psi单元法。3.收敛性

有限元模型的收敛程度很大程度上取决于建立模型的复杂性，收敛性从好到差依次排列分别为：psi单元法>土弹簧法>接触面法。这几种方法各有优劣，都可以在一定程度上很好地模拟管土作用，选用哪种方法计算，需要视管道长度，边界条件，计算精度以及是静力分析还是动态问题等情况而定。

五、结论

本文总结了运用有限元分析软件abaqus模拟管土作用的方法，建立了计算模型。目前看来，有限元分析管土作用是最有效的方法。未来的发展方向主要着重于模型参数取值研究，精细化建模。随着计算机运算速度的提升，接触面法会越来越多的替代土弹簧法。

参考文献

[1]油气输送管道线路工程抗震技术规范.gb 50470-2008.

[2] 袁秀霞，武宗良，侯庆志，韩爱红.土体特性对埋地管道的影响.人民黄河，2010，32（5）：103-105.

[3] 岳庆霞，吴华勇，李杰.管土动力相互作用分析.地震工程与工程振动，2007，27（3）：132-136.

[4]沈新普.abaqus在能源工程中的应用.机械工业出版社[m]，2010.

[5]费康，张建伟.abaqus在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社[m]，2010，1.

作者简介：马超，男，生于1987年，湖北监利人，硕士研究生在读，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院油气储运工程专业，2012年作为入站研究生，在中国石油管道公司科技中心工作，从事管道地质灾害风险评价相关方面的研究。