本案例用于演示如何采用FssiCAS进行波浪荷载作用下海床和结构物的位移变形以及渗流情况。计算模型示意图如图1所示。本案例中,海床的厚度为4m,长度为35m。结构物是由毛石堆和沉箱组成,具体参数和所处位置如图1、图2所示。波浪参数为水位1.5 m,波高0.5 m,周期2 s,海床地基、防波堤中混凝土沉箱、毛石堆的参数如下表所示。假设海床左右两侧边界位于无限远处(左右边界固定)。 图1 波浪-海床-结构物计算模型示意图 图2 结构物计算模型示意图(由毛石堆和沉箱两部分组成) 表1 海床地基、防波堤中混凝土沉箱、毛石堆的参数 材料 弾性模型(Pa) 泊松比 孔隙比 渗透系数(m/s) 海床地基 5e7 0.33 0.65 2.3e-3 毛石堆 1e9 0.24 0.49 0.16 沉箱 3.3e10 0.2 - -
依据模型示意图在Abqus软件中依照建立草图-创建模型-指派材料-网格划分的顺序完成模型网格的建立,以便后续将网格和背景线导入Fssi进行前处理。 (a) (b) (c) (d) 图3 (a)草图绘制,(b)通过草图划分二维模型,(c)指派材料,(d)网格划分完成
2.1导入网格及背景线 在Load Mesh中选择Abqus,在弹出的文件选择对话框中选择Abqus输出的网格文件,双击或点击打开按钮。 由于海床和毛石堆两个部分能发生渗透,所以要在弹出的对话框中将流体节点阶次设置为1,点击Ok按钮确认选择。导入网格文件后,为了方便对数值模型添加边界条件,将从Abaqus导出的背景线导入。 2.2设置边界条件 几何模型的边界条件需要设置为:海床左右两侧的边界为X方向位移固定,底部边界为X、Y方向位移均固定,如图4(a)、4(b)所示。 在Y方向进行重力场设置,该方向的重力加速度为-9.806m/s2。 由于海床-结构物整体受波浪荷载的作用,且海床和毛石堆会发生渗流,故在海床和毛石堆的临空面设置水动力边界,在弹出的窗口中输入波浪参数:一阶行波,波浪周期2s,由于第一步中只有静水压力故不施加波浪力,波高0m,水深1.5m,水位线为5.5m,如图4(c)所示。 (a) (b) (c) 图4 (a)左右X固定,(b)底部X、Y固定,(c)第一个时间步的水动力边界条件 2.3设置材料参数 在Abaqus的前处理中我们已经针对每一部分划分了不同的材料板块并进行了相应的命名。在FssiCAS中我们可以从工具栏中点击Material下属的相应部分进行材料参数的设置,如图5所示。 图5设置材料参数 2.4设置求解器类型 在前处理界面上 Model 树状菜单栏里的 Solver 中,点击 Solver Type,在弹出的对话框中设置求解器类型,求解器设置为 Static,并进行相关属性参数设置,如图6所示。 图6设置求解器的相关属性参数 2.5设置时间步 通过点击Time step中step 1下面Sub_step 1设置时间步,具体设置参数如图 7所示。其中Interval for Updating Coordinate为坐标更新时间,Interval for Updating Global Stiffness Matrix为刚度矩阵更新时间,都设置为1.1s,大于计算时间故为不更新坐标和刚度矩阵。 图7设置时间步和相关属性参数 2.6设置初始条件 点击Initial State,点击OK,即可完成Step 1初始状态设置。 2.7时间步Step 2设置 本案例中Step 1用于给后续计算一个良好的初始状态,Step 2为正式加载计算时间步。点击顶部工具栏绿色的Step标志即可。在上方工具栏中选择Step 2,然后依次设置边界条件、材料参数、求解器类型和时间步,大多数与Step 1中各参数相同。其中水动力边界条件由于要添加波浪周期、高度,故参数设置更改如图8所示。 图8施加波浪荷载 而Step 2的时间步则设置为总时长10s,时间步长0.05s,其余参数如图9所示。 然后再次点击Initial State将其初始化。 图9设置时间步和相关属性参数 2.8计算并保存 点击左侧工具栏中的Computation中的FSSI-W,保存当前项目,开始计算,如图10所示。计算完成后结果储存在Multiple文件夹中。 图10计算和保存
3.1加载文件 点击FSSI-CAS-2D/3D—Postprocess—Open Results File,选择需要处理的结果文件夹,如前所述为Multiple文件夹。 3.2绘制沉箱的位移变形情况 由于每个时间步数下的结果分布在大致趋势上一致,数值大小上有不一样,此处只展示2.00s下的结果分布图。如图11所示,有X方向的位移图。图12为X方向和Z方向的应变图、平均应变图以及剪应变图。而选择沉箱左上角节点提取其随时间位移和应变的变化如图13所示,在波浪荷载的作用下有大约0.00108m的位移,应变则随时间不停波动。 图11 X方向位移图 (a) (b) (c) (d) 图12 (a) X方向应变图,(b) Z方向应变图,(c)平均应变图,(d)剪应变图 (a) (b) 图13 (a) 沉箱左上节点随时间位移图,(b) 沉箱左上节点随时间应变图 3.3绘制海床和毛石堆的渗流情况 以毛石堆和海床在左边的交点处为例,此处坐标为(25,4,0)。图14表示渗透力在波浪荷载的作用下随时间呈周期性规律的变化。因为各时刻渗透力、渗透速度、流线等各不相同,故此处选择2s时毛石堆和海床的各项信息进行展示说明。图15为渗透力的各项信息,图16为X方向、Z方向的渗透速度以及渗透向量,图17为流线。 图14 (25,4,0)处渗透力随时间的变化 (a) (b) (c) (d) 图15 (a) X方向渗透力,(b) Z方向渗透力,(c) 渗透力,(d) 渗透力向量 (a) (b) (c) (d) 图16 (a) X方向渗透速度,(b) Z方向渗透速度,(c) 渗透速度,(d) 渗透速度向量 图17 渗透流线