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基于ABAQUS的管土相互作用计算方法研究:土结构相互作用框架 摘 要：本文提出了利用有限元分析软件ABAQUS研究管土相互作用的几个方法，建立了相关模型，并分析了这几个方法的适用条件及其优缺点，提出了以后的研究方向，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是国际上功效最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反应土体形状的本构模型，含有强大的接触面处理功效来模拟土和结构之间的脱开、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，常常会包括管道和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。研究土壤和管道的相互作用，提升求解计算的精度，对管道安全至关主要。 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关键有以下几个方法：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根据一定间距分布的弹簧，经过弹簧的刚度系数反应土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。 二、PSI单元法 PSI单元法对于大多数静力和动力问题全部能够处理，能够避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点愈加显著，既能确保管道本体对管道的作用，又大大降低单元的数量。不过，PSI单元只有位移自由度，关键施加位移载荷，假如不知道位移载荷，就不能采取这种方法。另外，这种方法不能查看管道截面云图。 三、接触面法 假如需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必需要采取接触算法。接触面算法经过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最终在施加的载荷条件下完成计算。接触面之间的相互作用包含两个部分：接触面的法向作用和切向作用5。 通常来说，两物体只有在压紧状态才传输法向压力，存在间隙时不传输法向压力，这种法向行为在ABAQUS中成为硬接触。 四、方法比选 同一个物理模型，假如越靠近实际情况，求解的精度越高，假如有限元模型越简化，忽略的原因越多，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。 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，根据时间排序为：接触面法>土弹簧法>PSI单元法。 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。 这几个方法各有优劣，全部能够在一定程度上很好地模拟管土
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