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基于ANSYS的路基可靠性分析
本文TAG:ansys  可靠性  路基沉降        2010/2/5
作者:飞飞工作室  出处:原创  阅读:4804  推荐:0
本文使用有限元分析软件ANSYS的概率分析功能,提出了利用ANSYS可靠性分析功能对路基沉降进行可靠性分析的方法,利用实例说明用ANSYS概率分析功能实现路基沉降可靠性分析的可行性,为复杂结构的可靠性分析提供了一种新方法。
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1 引言
路基的沉降计算和预测在道路工程中有着十分重要的意义,解决软基路堤沉降问题,是高速公路设计与施工的关键所在。土体是在人类无力控制的条件下形成的,其性质表现出很大的变异性川。大量试验、统计表明,土性参数的变异系数远比一般的人工材料大。在地基沉降计算方面,概率分析方法可以较好地反映地基土的不确定性。目前地基沉降可靠度分析方法主要有两类:一是直接法进行的沉降可靠度分析,但过于简单;二是基于随机有限元的地基沉降概率计算方法,理论比较复杂,不易掌握。所以,如何把现有的有限元软件用于路基沉降的可靠度计算是很有实际意义的。
ANSYS是一个功能非常强大的有限元分析软件。已经有学者使用ANSYS的概率分析功能,在结构设计方面做过研究。本文旨在运用ANSYS的概率分析功能,对路基沉降可靠度进行探讨,并通过一个算例说明其方法的可行性。对其它工程的可靠性计算有一定的指导意义。
2 可靠性计算理论
 简言之可靠性就是指目标值小于某一个允许值的概率,按可靠性理论中的功能函数建立方法,如基本变量由, ………,组成,为基本变量的函数,功能函数可表示为
式中,为允许值,为计算值,在概率极限状态设计理论中,极限状态方程为
 因而求解可靠性就是求极限状态函数的概率。
3 模型建立及计算讨论
3.1 确定性模型
   路基有限元模型如图1所示,上部分为路堤,下部分为路基。路基的高度为8m,路基的长度为20m,路堤的高度为3m,路堤顶半宽为3m,边坡比为1:1。采用ansys的8节点PLANE183单元模拟,考虑其大变形影响。使用完全牛顿-拉弗森算法。
 
 
 

1 路基的有限元模型
 

 
 
 
 


 

不考虑土体的排水固结,按总应力法计算。采用Drucker一Prager模型描述土体的非线性,其屈服条件是广义Mises准则,其本构关系如图2和图3所示。在D—P材料中用体现体积膨胀的大小,不考虑土体膨胀。模型计算参数见表1。

2 路堤的D-P本构关系图
be
3 路基的D-P本构关系图
 
 

 
 
 
 
 


 

1 模型计算主要参数
        

 
           
路堤
2010
2E7Pa
0.3
110KPa
30
0
路基
1900
3E6Pa
0.4
30Kpa
25
0

5 等效应力云图
4 y方向的位移云图

 
 
 
 
 
图4和图5给了确定性模型y方向的位移云图和等效应力云图。有此可知:路基的最大沉降为18.55cm;最大等效应力为88169Pa。
3.2 不确定性模型
   由确定性分析的所有代码组成.mac的分析文件,参数化分析文件的形成是可靠性分析中至关重要的一环,文件中要求包含完整的分析过程,APDL分析程序通过反复调用分析文件来求得所需的计算结果。
考虑密度与弹性模量的随机性,设密度和弹性模量服均从正态分布。基本随机变量见表2。采用ANSYS软件的蒙特卡罗模拟方法进行可靠度计算,进行200次循环计算进行可靠性分析。

2 路基沉降随机变量分布表
 

 


 

随机变量
分布类型
均值
方差
路堤的弹性模量
高斯正态分布
2E7Pa
5E5
路堤的密度
高斯正态分布
2010
80
路基的弹性模量
高斯正态分布
3E6Pa
1E5
路基的密度
高斯正态分布
1900
50
 

6 路堤弹性模量的随机分布图
7 路基密度的随机分布图
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

图6和图7给出了路堤弹性模量和路基密度的随机分布图。计算结果如图8到11所示。图8给出了路基最大沉降量随模拟次数的变化情况,由图可知路基最大沉降的最大值为0.1973m,最小值为0.1609m。图9给出了路基沉降最大值的柱状态图,由图可知:路基沉降最大值出现频率最高的0.18615m。图9给出了路基沉降最大值的概率分布图,由图可知:路基沉降的均值为0.1973m,方差为0.7366e-2m,路基沉降最大值大于0.192m且置信度为95%的概率是20%,因此如果允许的路基最大沉降为0.192m,则可靠度为80%,可靠度的精确度与抽样次数有关,抽样次数越多,计算的数据越精确。图11给出了随机参数对路基沉降最大值的影响,由图可知:路基的弹性模量对其计算结果影响最大。

8 路基最大沉降随机值
11 路基最大沉降对随机输入变量的敏感性
9 路基最大沉降的柱状图
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

 
 
 
 
 
 
 


 

       
 

10 路基最大沉降的概率分布图
 

 


 

4 结论
从以上分析和计算可知:
(1) ANSYS可以较好的处理实际工程的可靠性问题。
(2) 采用apdl语言编制程序来实现路基沉降的参数化计算,并应用到可靠性计算,思路清晰方法简单,计算可靠。
(2) 路基的弹性模量对其计算结果影响最大,路堤的弹性模量对其计算结果影响最小。
 
        
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