تحلیل خاک در آباکوس ژئوتکنیک و تحلیل های خاک در ABAQUS
تحلیل خاک در آباکوس
مقدمه تحلیل خاک در آباکوس
تحلیل خاک در آباکوس: معمولا در کاربردهای صنایع نفت و گاز و طراحی‌های سازه‌ای مربوط به مهندسی عمران نیاز به تحلیل و بررسی بستر زمین (برای مثال به جهت پیش‌بینی و جلوگیری از دفرمه شدن بستر) پیش از طراحی نیاز می‌شود . از این‌رو ، تحلیل‌های ژئوتکنیکال و تحلیل‌های مکانیک خاک به عنوان تحلیل محیطی متخلخل و بستری که ساختمان یا سازه‌های دریایی روی آن قرار می‌گیرند دارای اهمیت بسزایی است . از جمله موثرترین و کم‌هزینه‌ترین این تحلیل‌ها ، تحلیل با نرم‌افزارهای تحلیل عددی همچون ABAQUS می‌باشد که زحمت و هزینه آزمایش‌های گران قیمت را از بین برده و دشواری‌های روش‌های تحلیلی که در ادامه به آن اشاره خواهد شد را ندارد.
تعریف محیط و ویژگی‌های تحلیل خاک در آباکوس
خاک شامل بخش‌های متعدد و به شکل دانه‌ای است که عمده بخش‌های موثر آن شامل سه بخش می باشد
- جامد(دانه‌های خاک)
- مایع(آب رسوخ کرده در منافذ خاک)
- گاز ( هوای نفوذ کرده در درون فضاهای خالی بین دانه‌های خاک ) می‌باشد
دشواری‌های تحلیل خاک در آباکوس ( شرایط بارگذاری و مدل‌های حاکم )
مسائل مقدار مرزی در مکانیک خاک غیرخطی هستند زیرا همیشه متریال‌ها و ویژگی‌های آنان غیرخطی است ، گاها هندسه باعث ايجاد غیرخطینگی مي‌شود و همچنين بعضا در مسائل تعامل سازه-خاك شرايط مرزي غيرخطي است. آن‌ها مي‌توانند باعث ساخت و ساز پيچيده شوند مانند نفوذ سازه به زیر سطح خاک که موجب انتشار امواج در درون زیر-سطح خاک و وارد شدن تنش‌هایی به سازه می‌شوند.
همچنین وقتی خاک بارگیری می‌شود ، فشار سیال رسوخ کرده در منافذ تغییر می‌کند و جریان پیدا می‌کند و با جابه‌جا شدن خود باعث دفرمه شدن خاک در طول زمان می‌شود. این دفرمه شدن خاک به کمک تعریف ویژگی‌های مکانیکی و نفوذپذیری ماده به همراه شرط مرزی فشار منفذ ، می‌تواند با ABAQUS تحلیل شود.
خاک بسته به وجود یا عدم وجود اصطکاک حجمی میان اجزاء تشکیل دهنده خاک مانند ذرات خاک ، آب و هوای نفوذی ، معمولا به صورت مواد تک-دو یا سه فاز مدل سازی می‌شوند. که این مدل‌ها طیف وسیعی ازمدل مکانیک محیط پیوسته تا تئوری‌های اختلاط مانند تئوری محیط متخلخل را شامل می‌شوند. علاوه بر این ، معمولا مسائل مقدار مرزی با یک نرخ یا نسبت زیان‌آور “نسبت طول مشخصه بخش زیر‌خاک سازه ، به کوچکترین بعد طول سازه ” مشخص می‌شوند که باعث پیچیده شدن مدل‌های تحلیل 3بعدی می‌شود.
رفتار متریالی خاک در مقایسه با دیگر مواد مهندسی نسبتا پیچیده است . خاک را می‌توان بصورت خاک دانه‌ای (شن و ماسه) یا خاک نرم (رس یا سیلت) دسته‌بندی کرد. وقتی خاک دانه‌ای به آرامی بارگیری می‌شود ، دچار تغییر حجم می‌شود باعث به‌وجود آمدن فشار شدید در منافذ می‌شود که به خاطر نفوذپذیری بالای خاک دانه‌ای به سرعت پخش می‌شود و از آن تحت عنوان “بارگیری تخلیه شده یاد می‌شود. در سمت دیگر ، وقتی خاک نرم بارگیری می‌شود ، فشار شدیدی ایجاد می‌کند که به خاطر نفوذپذیری پایین خاک نرم ، درون منافذ خاک نرم ، گیر می‌کند . این شرایط ” بارگیری تخلیه نشده نام دارد .
شبیه سازی‌های پیشرفته کامپیوتری برای تغییرشکل‌ها ، الگوریتم‌های تماس برای حرکت‌های نسبی و الگوریتم‌هاي موازي سازي در مکانیک خاک نیاز به فرمولاسیون المان محدود دارند كه براي اين منظور ABAQUS طیف گسترده‌ای از امکانات را برای تحلیل‌های مکانیک خاک فراهم می‌کند که قابلیت گسترش به کمک سابروتین‌های نوشته شده توسط کاربر را دارد.
مدل‌های مواد در تحلیل خاک در آباکوس
انواع مدل‌های مختلف مواد از جمله مواد الاستیک ، پلاستیک ، سیال نفوذی ، پلاستیسیته آسیب بتن ، مدل‌های ترک‌خوردگی و پلاستیسیته در Abaqus تعبیه شده است.
مدل‌های متریال داخل Abaqus می‌توانند در کاربردهایی که شرایط کوپل کامل برای شبیه‌سازی مورد نیاز است ، استفاده شوند.
استثناهایی نیز وجود دارد، مانند حالت‌هایی که در آن دفرمیشن‌های بزرگ با تکنیک‌های خاصی چون ” تکنیک المان گسسته مدل شوند. همچنین متریال تعریف شده توسط کابر نیز تحت چارچوب VUMAT و UMAT نیز می‌توانند در تحلیل بکار برده شوند.
برای توده بارگذاری شده بصورت جانبی ، ویژگی‌های روبرو استفاده خواهند شد :
مدل‌های حل و قابلیت‌های داخلی نرم افزار Abaqus برای اهداف مکانیک خاک
لیستی از مدل‌ها و قابلیت‌های داخلی نرم‌افزار برای حل مسائل مقدار مرزی در مکانیک خاک که نرم افزار ABAQUS پیاده‌سازی شده‌اند ، در زیر آمده‌اند :
المان‌های محدود
المان‌های محدود متعدد دارای جابهجایی ، فشار آب درون منافذ، دما و غلظت درجات آزادی می‌تواند برای گسسته‌سازی تنش-جابه‌جایی‌های یک-دو و سه‌بعدی بدنه خاک ، نفوذ و تراوش (به/از خاک) ، مسائل انتقال حرارت و انتشار استفاده شوند.
مدل‌های سازنده خاک
پلاستیسیته مور-کلمب
(الاستیک خطی ، مدل کاملا پلاستیک با شرط تسلیم مور-کلمب و قانون جریان غیرمرتبط)
مدل‌های پلاستیسیته دراکر-پراگر توسعه یافته
(الاستیک خطی یا غیرخطی ، پلاستیک ایده‌آل یا سخت‌کاری ایزوتروپیک با شرط تسلیم دراکر-پراگر توسعه‌یافته)
مدل Drucker-Prager/cap اصلاح‌شده
(لاستیک خطی یا غیرخطی، سخت شدن حجمی با استفاده از سطح کلاهک ، شرط تسلیم دراکر-پراگر توسعه‌یافته)
پلاستیسیته رسی
(الاستیک غیرخطی ، مدل سخت‌کاری حجمی بر اساس مدلCam Clay)
همه این مدل‌ها محافظه‌کارانه هستند و مفاهیم مدرن مدلسازی خاک مانند مدل‌های سخت‌کاری دوگانه پلاستیک سطح مرزی یا هیپوپلاستیسیته را شامل نمی‌شوند.
شروط مرزی
شرایط مرزی دریکله و نیومن خطی وابسته به زمان می‌توانند برای تمامی درجات آزادی فعال تعریف شوند .
شروط اولیه
شرایط اولیه خطی تنش‌های موثر ، نسبت پوکی ، فشار منفذ ، یا درجه اشباع می‌توانند درون گروه نودها و المان‌ها تعریف شوند.
روندهای پاسخ :
تحلیل ژئواستاتیک تنش-جابهجایی برای روند تکرار معادله برای حالات اولیه ، تحلیل تنش-جابهجایی استاتیک و دینامیک بر اساس انتگرال زمانی صریح و ضمنی برای خاک که بصورت یک ماده تک-فاز مدلسازی شده ، تحلیل ترکیبات کوپل شده برای خاک که بصورت ماده دو-فاز مدلسازی شده(خاک‌های کاملا اشباع) ، تحلیل گذرا و پایا برای شبیه‌سازی انتقال حرارت درون خاک به خاطر رسانش گرمایی و جابهجایی حرارتی ، تحلیل پایا و گذرای انتشار برای شبیه‌سازی انتقال جرم در خاک
تاریخچه بار :
کنش‌های معمول مانند نیرو(ها)ی نودها ، نیروی توزیع شده ، یا جابهجایی های پیش‌بینی شده می‌توانند تعریف شوند . حفاری و پر‌کردن خاک می‌تواند با (غیر)فعالسازی المان‌های معادل ، مدلسازی شوند .
الگوریتم‌های پاسخ :
الگوریتم‌های متفاوتی برای حل سیستم‌های معادلات خطی و غیرخطی پیاده‌سازی شده است . مسائل تعامل سازه-بستر می‌توانند با بکارگیری الگوریتم‌های تماس متعدد حل شوند . تکنیک صاف کردن ALE به پایداری پاسخ مسائل تنش محدود کمک می‌کند.
تعامل و تماس برای مسائل جئوتکنیکال
آباکوس دو الگوریتم برای مدلسازی تعامل تماسی ارائه می‌دهد :
الگوریتم جفت تماس
الگوریتم جفت تماس در جایی استفاده می‌شود که هر جفت سطح ممکن باید تعامل تماسی از جمله سطحی که ممکن است در تماس خود قرار گیرد، تعریف کند. همچنین بر اساس تعریف پایه-پیرو می‌باشد.
الگوریتم تماس کلی
الگوریتم تماس کلی قابلیت تعریف همه یا بسیاری از مناطق را با ویژگی‌های تعامل واحد را دارد. این الگوریتم ، به طور خودکار سطوح پایه-پیرو را تشخیص می‌دهد.
آباکوس همچنین انعطاف‌پذیری برای یافتن سطح تماس به طور خودکار در قطعات انتخابی یا کل مدل را می‌دهد
در تحلیل ژئوتکنیکی، جایی که بارگذاری انفجاری برای تجزیه و تحلیل قابلیت تحمل بار سازه انجام می‌شود، دامنه اویلری باید تعریف شود. در چنین سناریویی، تماس کلی باید تعریف شود و بسیار کارآمد عمل می‌کند.
انتخاب المان در تحلیل بستر زمین در آباکوس
برای مدلسازی جریان سیال اشباع شده کامل یا جزئی ، در یک محیط متخلخل تغییر شکل‌دهنده، ABAQUS المان از نوع فشار منفذی را ارائه در نظر می‌گیرد که می‌تواند برای تجزیه و تحلیل خاک و جئو‌استاتیک استفاده شود. این المان‌ها دارای درجات آزادی جابجایی و فشار منفذی هستند. در المان‌های مرتبه دوم، درجات آزادی فشار منفذی فقط در گره‌های گوشه فعال است. المان‌های فشار منفذی برای کرنش صفحه‌ای، متقارن محوری، متقارن محوری- نامتقارن و برای مسائل سه‌بعدی در دسترس هستند.
روش تجزیه و تحلیل خاک در آباکوس
آباکوس استاندارد دو روش مختلف برای تجزیه و تحلیل خاک یعنی “ژئواستاتیک” و “خاک” ارائه می‌دهد. همچنین می‌توان مواد خاک مانند را در صورت تغییر شکل زیاد با استفاده از تکنیک‌های خاص زیر شبیه‌سازی کرد:
1- تکنیک‌های کوپل اویلر-لاگرانژی
2- تکنیک‌های هیدرودینامیک ذرات صاف‌شده
3- تکنیک‌های المان‌های گسسته
تکنیک‌های فوق را می‌توان برای فونداسیون‌های دریایی، خرد‌کردن سنگ های نرم، معدن و صنایع کشاورزی استفاده کرد. برای توده‌های بارگذاری شده جانبی از روش‌های “ژئواستاتیک” و “خاک” برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود.
تحلیل”ژئواستاتیک” معمولا به عنوان اولین قدم از تحلیل ژئوتکنیکال استفاده می‌شود. در چنین تحلیل‌هایی ، بارهای ثقلی، حالت تنش اولیه، توزیع نسبت پوکی یا اشباع در این مرحله اعمال می‌شود. در حالت ایده‌آل، بارها و تنش‌های اولیه باید دقیقاً متعادل شوند و تغییر شکل صفر را ایجاد کنند. تحلیل ژئواستاتیک مستلزم آن است که تنش‌های اولیه نزدیک به حالت تعادل باشد. جابجایی‌های مربوط به حالت تعادل ممکن است زیاد باشد. روش تجزیه‌تحلیل “خاک” برای تشخیص پاسخ گذرا(ترکیب) یا پایا برای تحلیل محیط‌های متخلخل پر‌شده با سیال اشباع کامل یا ناقص استفاده می‌شود.