Adaptive finite element analysis of cone penetration in clay

This paper presents a numerical technique for the analysis of the cone penetration test by means of the commercial finite element code ABAQUS. The von Mises yield criterion with its associated flow rule is assumed to model the plastic behaviour of elastoplastic undrained clays. An explicit finite element scheme is used to efficiently perform a large number of loading increments and to simplify the treatment of contact. An Arbitrary Langrangian–Eulerian (ALE) scheme is adopted to preserve the quality of mesh throughout the numerical simulation. A volumetric weighting algorithm adjusts the relative positions of nodes after each loading increment. This prevents mesh over distortion and allows the simulation to run continuously. The variation of the cone resistance is examined in relation to various parameters such as the in situ stress state, shaft and cone face roughness, and the material strength when steady state conditions have been reached. The trends of these variations are highlighted and compared with those found by other researchers. This technique can be extended to analyse the plastic behaviour of elastoplastic sands often modelled using either the Drucker–Prager yield criterion or a critical state model.     

纯摩擦型岩土介质本构积分算法及其在ABAQUS中开发应用

提出了基于Euler向后积分的自适应子增量本构积分算法,推导了相应的一致切线模量矩阵;通过引入伪屈服函数(塑性势函数),提出了对屈服面角点应力区进行两个方向应力投射的本构积分算法,使超出屈服面的试应力收敛到角点;推导了两个投射方向的一致切线模量矩阵;采用赋小值方法解决0应力屈服的问题。用上述方法编制了基于D-P准则的理想弹塑性模型ABAQUS-UMAT子程序,并进行了算例验证。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

基于冲击载荷的硬质合金球齿碎岩机理研究

在滑坡防治大直径桩孔施工过程中,快速钻进是治理成功的关键。因此选用合适的钻进机具与工艺极其重要,而气动潜孔锤因钻进效率高被广泛应用。气动潜孔锤钻进过程中,通过钻头底部球齿对岩石进行切削,达到高效碎岩目的,但球齿在破碎岩石过程中若冲击功选用不恰当,会导致能量损耗增大、球齿磨损较快、钻进效率低等问题,因此选用合适的冲击功进行碎岩具有重要意义。本文采用ABAQUS软件对单个球齿冲击岩石的过程进行了数值模拟,并进行了冲锤自由落体冲击实验,分析?19 mm的球齿在不同冲击功条件下的碎岩机理、破碎面积的变化规律。结果表明球齿碎岩机理分为3个阶段：弹性变形、压裂、体积破碎,且当球齿以30 J冲击功钻进花岗岩时,可有效降低能量损耗与提高碎岩效率。     

复合加载情况下双层地基极限承载力研究

在复合加载情况下精确求解层状非均质地基的极限承载力,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于土体极限平衡理论与通用有限元软件ABAQUS,针对复合加载情况下上硬下软的双层不排水饱和软黏土地基的极限承载力,进行了大量的数值计算,得出了上层土临界深度Hcr的计算公式、竖向极限承载力Pv的计算公式以及复合加载情况下地基破坏时的破坏包络面方程。研究结果表明：上层土临界深度Hcr取决于土层间强度比Su1/Su2;竖向极限承载力Pv与破坏包络面取决于土层间强度比Su1/Su2、上层土深度H1与基础型式。     

软件ABAQUS在饱和土体动力响应分析中的应用

研究表明:地震作用下土体的动力特性及变形特性与超静孔隙水压力的发展变化密切相关,因此,在土体动力分析过程中考虑孔隙水压的影响是非常必要的。本文通过对基本方程的推导,借助于大型有限元软件ABAQUS,进行了饱和土体在动力作用下孔隙水压变化的数值模拟。计算结果表明,ABAQUS完全适用于此类问题的数值模拟,并且稳定性和收敛性较好。     

北京地铁转弯段施工对近邻桥基的影响研究

结合北京地铁10号线国贸站转弯段施工对邻近桥基影响的实际工程问题,运用ABAQUS软件,在对施工过程进行动态模拟的同时,重点研究了施工过程中19-1号桥基的变形和受力性态以及桩-土相互作用机制,并将部分计算结果与量测结果进行了比较。研究表明,施工期间桥基没有工程安全隐患,既有的施工方案是合理、可行的,并为该工程的施工提供了依据,也可供类似工程参考。     

齿形滑环组合密封的摩擦力矩计算

利用ABAQUS有限元软件对齿形滑环组合密封件进行建模仿真,采用网格重划技术保证仿真结果收敛,得到不同介质压力下的动密封接触面的压力分布曲线,并且进行二次多项式拟合计算得到齿形滑环组合密封的摩擦力矩理论计算值。通过搭建动密封测试平台,实际测试不同介质压力下齿形滑环组合密封的密封效果,并且得到摩擦力矩的实验值,结果摩擦力矩理论值和实验值基本吻合。结果表明:齿形滑环组合密封效果良好,摩擦力矩的理论计算基本正确,该密封的摩擦力矩与介质压力之间基本呈线性关系。     

V⁃H荷载作用下海洋平台吸力式桩桶桩土承载特性研究

用于海洋平台的吸力式桩桶基础作为一种新型平台基础正逐渐成为人们研究的重点。为研究吸力式桩桶单桩基础的受力特性,对V-H（竖向—水平）联合荷载作用下的吸力式单桩基础桩土的承载特性进行了数值模拟,并将数值模拟的有限元解通过与API规范中对p-y曲线的计算方法进行对比来验证有限元模型的可行性,最后采用分级作用力的加载方式对其破坏包络曲线进行绘制,并推导出相应的函数表达式。研究表明,采用ABAQUS有限元分析软件对吸力式桩桶进行数值模拟是可行的,随着对吸力式桩桶所施加V-H联合荷载的不断增大,吸力式桩桶所能体现的应力和弯矩极限值也在随之增大,其位移变化主要在施加荷载的区域附近,最后在联合荷载作用下所体现的极限承载状态,即包络曲线大致呈四分之一的椭圆形状。     

柔性管卷管式铺管上卷有限元模拟

采用卷管法进行海底管道铺设过程中,管道首先通过牵引作用上卷于卷筒进行储存。管道与卷筒发生非线性接触,可能会产生复杂的塑性变形和局部屈曲。通过全尺寸柔性管力学性能试验获得柔性管轴力—应变以及弯曲—曲率等非线性力学性能关系,将试验所得的非线性材料性能参数导入建立的两种柔性管上卷ABAQUS有限元模型（梁—实体单元模型与壳和桁架—实体单元模型）,实现柔性管较大轴向抗拉刚度和较小抗弯刚度的同步模拟以及管道与卷筒的非线性接触响应特征。通过对比分析两种有限元模型数值模拟得到的管道弯矩、弯曲曲率、管道轴力、管道与卷筒的接触压强等数据,发现在管道上卷过程中管道沿副法线方向的SM3弯矩占据其弯曲变形主导地位;管道与卷筒之间的摩擦效应对于管道轴力的影响较为显著;管道与卷筒的最大接触压强主要发生在卷管过渡段区域。