基于Ansys的路基沉降可靠性有限元分析

1、基于Ansys的路基沉降可靠性有限元分析1引言路基的沉降計算和預測在道路工程中有著十分重要的意義，解決軟基路堤沉降問題，是高速公路設計與施工的關鍵所在。土體是在人類無力控制的條件下形成的，其性質表現(xiàn)出很大的變異性川。大量試驗、統(tǒng)計表明，土性參數的變異系數遠比一般的人工材料大。在地基沉降計算方面，概率分析方法可以較好地反映地基土的不確定性。目前地基沉降可靠度分析方法主要有兩類:一是直接法進行的沉降可靠度分析，但過于簡單;二是基于隨機有限元的地基沉降概率計算方法，理論比較復雜，不易掌握。所以，如何把現(xiàn)有的有限元軟件用于路基沉降的可靠度計算是很有實際意義的。ANSYS是一個功能非常強大的有限元分析軟

2、件。已經有學者使用ANSYS的概率分析功能，在結構設計方面做過研究。本文旨在運用ANSYS的概率分析功能，對路基沉降可靠度進行探討，并通過一個算例說明其方法的可行性。對其它工程的可靠性計算有一定的指導意義。 2可靠性計算理論簡言之可靠性就是指目標值小于某一個允許值的概率，按可靠性理論中的功能函數建立方法，如基本變量由X1，X2，Xn組成，Q為基本變量的函數，功能函數可表示為 Q=f（X）=u0-u（X）式中，u0為允許值，u為計算值，在概率極限狀態(tài)設計理論中，極限狀態(tài)方程為 f（X）=u0-u（X）=0因而求解可靠性就是求極限狀態(tài)函數f（X）0的概率。3模型建立及計算討論3.1確定性模型路基有

3、限元模型如圖1所示，上部分為路堤，下部分為路基。路基的高度為8m，路基的長度為20m，路堤的高度為3m，路堤頂半寬為3m，邊坡比為1：1。采用ansys的8節(jié)點PLANE183單元模擬，考慮其大變形影響。使用完全牛頓-拉弗森算法。不考慮土體的排水固結，按總應力法計算。采用Drucker-Prager模型描述土體的非線性，其屈服條件是廣義Mises準則，其本構關系如圖2和圖3所示。在D-P材料中用體現(xiàn)體積膨脹的大小，不考慮土體膨脹。模型計算參數見表1。圖4和圖5給了確定性模型y方向的位移云圖和等效應力云圖。有此可知：路基的最大沉降為18.55cm；最大等效應力為88169Pa。3.2不確定性模型

4、由確定性分析的所有代碼組成.mac的分析文件，參數化分析文件的形成是可靠性分析中至關重要的一環(huán)，文件中要求包含完整的分析過程，APDL分析程序通過反復調用分析文件來求得所需的計算結果?？紤]密度與彈性模量的隨機性，設密度和彈性模量服均從正態(tài)分布?；倦S機變量見表2。采用ANSYS軟件的蒙特卡羅模擬方法進行可靠度計算，進行200次循環(huán)計算進行可靠性分析。圖6和圖7給出了路堤彈性模量和路基密度的隨機分布圖。計算結果如圖8到11所示。圖8給出了路基最大沉降量隨模擬次數的變化情況，由圖可知路基最大沉降的最大值為0.1973m,最小值為0.1609m。圖9給出了路基沉降最大值的柱狀態(tài)圖，由圖可知：路基沉降最大值出現(xiàn)頻率最高的0.18615m。圖9給出了路基沉降最大值的概率分布圖，由圖可知：路基沉降的均值為0.1973m,方差為0.7366e-2m，路基沉降最大值大于0.192m且置信度為95%的概率是20%，因此如果允許的路基最大沉降為0.192m，則可靠度為80%，可靠度的精確度與抽樣次數有關，抽樣次數越多，計算的數據越精確。圖11給出了隨機參數對路基沉降最大值的影響，由圖可知：路基的彈性模量對其計算結果影響最大。4結論從以上分析和計算可知：(1)ANSYS可以較好的處理實際工程的可靠性問題。(2)采用apdl語言編制程序