利用Abaqus模拟土壤与结构相互作用及极端变形方法
这篇文章将介绍Abaqus模拟极度变形的技术方法及其在深海领域结构件安装问题的应用。
Abaqus离散技术
Abaqus中的离散技术有三种，如图1显示：拉格朗日网格，CEL及SPH技术。
图1：拉格朗日、CEL和SPH离散技术
拉格朗日
这种离散方法是应用最多的一个，对大多数FEA工程师都用过。有了这个方法，就能计算固体变形及应力，即材料固定在网格上，随网格变形即材料变形。
CEL技术
该方结合了拉格朗日网格和欧拉网格，可以使用可压缩的纳维尔斯托克斯方程。该方法允许材料在固定的网格空间自由流动，材料边界由每个元素中的体积分数表示。且可以与结构的拉格朗日网格相互作用，通过一般接触处理。
SPH
此方法使用节点集 合，表示一个部件。材料响应遵守分配的物质属性，可以与拉格朗日结构单元相互作用，通过一般接触处理。
最后，在显式中还有一种离散方法，非常适合粒子混合应用。在离散元方法 （DEM） 中，每个粒子都是单个元素（节点）。此方法不能用于模拟连续体的变形。
应用
处于海底的结构件长期受海浪作用及海水腐蚀，服役工况严峻。图2为海底锚结构在Abaqus的建模区域，深色部分为SPH粒子区，代表海底土壤层。
图2：锚几何和SPH域（深色）
该示例土壤将以 SPH 粒子模拟，使用的土壤块（深色）尺寸为40（l）x12（w）x8.5（d）m还显示了锚几何形状，锚结构将建模为刚形体。对于此示例中，SPH 在实现和处理极端变形方面更为实用。此外，在Abaqus中的大多数材料模型，均可用于SPH方法。SPH 粒子转换设置的详细信息如下图 3 所示。
图3：将土壤块的拉格日网格转换为SPH粒子
此 3 步显式分析，包括安装阶段（10 秒）、旋转阶段（3 秒）和拉出阶段。预计会发生严重变形（土壤）和大位移（锚）。
材料建模
对于此示例中，海底土壤的材料模型稍复杂，而海底土壤是分析中唯一可变形的主体。指定的土壤类型是硬粘土，具有以下材料特性，见表 1。
表1：硬粘土材料摩尔库仑材料参数
土壤与结构相互作用
对于土壤和锚之间的接触以及土壤上的自接触，使用一般接触算法，设置全局摩擦系数（μ=0.3）。应当指出，实际建模需确保由于域的大小而对结果没有影响。最后，图 4 中显示了一般接触设置的详细信息，显示了排除的表面对选项。
图4：锚分析SPH的一般接触定义
载荷和边界条件
三个分析步的边界条件均施加在两个参考点上，对于安装和旋转阶段，分别在锚的参考点施加平移和旋转速度。对于拉出阶段，在拉动参考点施加移动速度 （x 和 y）。为了模仿实际链链锚连接（允许旋转），释放了一定程度的自由度。如图5所示。
图5：锚运动边界条件设置
通过在参考点施加速度边界条件，可以在结果提取支反力是用来评估锚结构性能的重要信息。
结果
图6和7，显示了锚拉出过程中土壤层的冯米塞斯应力和最大主应力。
图 6 SPH土壤中的米塞斯应力
图 7 土壤 中的最大主应力 （MPa）
图8和9，显示了锚拉出过程中土壤层的等效塑性应变和最大主应变。
图8：土壤SPH中等效塑料应变量级（视图切割）
图9：土壤SPH中最大主要应变（视图切割）
图10和11，显示在锚点的输出，该位置是运动规定的。此输出对于锚设计非常重要，尤其是对于组件的更关键的退役（退出）阶段。
图10：锚重心的力 （N） 和时刻 （Nmm），用于安装和旋转步骤
图11：锚的拉力点的力和力级（N），用于拉出步骤
通过这种分析和输出，可以探索海底锚和土壤类型的不同设计。
这是非常有用的，因为最终这些研究可以帮助优化这些深海组件和部署过程。
