盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法及系统技术方案

本发明专利技术属于隧道工程技术领域，公开了一种盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法及系统，以人机交互界面为工具，采用参数化方式、通过程序语言使现有的商业有限元软件能够快速、自动按照用户输入的参数完成上述所有操作，在节省建模时间、保证建模效率的同时，兼顾建模的准确、可靠。本发明专利技术所包含的程序自动融入了混凝土裂纹模拟所需要的本构、裂纹设置，用户仅需掌握基本的建模操作并输入建模参数、根据需要设置荷载、提交计算即可获得结果，简便快捷，省时省力，为精细化单环衬砌以及多环衬砌模型的裂纹模拟提供了有力工具。环衬砌模型的裂纹模拟提供了有力工具。环衬砌模型的裂纹模拟提供了有力工具。

【技术实现步骤摘要】
盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道工程
，尤其涉及一种盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国地铁隧道等盾构隧道工程建设大规模展开，众多城市已建成庞大的地下轨道交通网，水利工程中盾构隧道也得到了广泛应用。盾构隧道长期在一定围压下服役，亦可能遭受地震、地面荷载等作用，这些外界荷载作用易导致隧道衬砌开裂，进而导致隧道内渗水甚至垮塌，为隧道的安全运营带来了极大威胁。因此，盾构隧道衬砌的抗裂性能至关重要。目前，盾构隧道衬砌的抗裂性能分析研究多使用数值方法开展且已取得较多成果。数值模型的计算结果精确与否直接与模型的精细程度相关，即模型越精细、越反映真实情况，则结果约接近实际。现有成果中，使用隧道衬砌均质模型(即隧道整体模型为连续、均质，未考虑衬砌管片、未包含螺栓)的居多，但也不乏考虑真实衬砌管片拼接、螺栓连接的盾构隧道的精细模型。然而，当前现有的基于商业有限元软件的隧道衬砌精细化建模仅能依靠手动方式，其效率极为低下，具体表现为：以一环隧道衬砌为例，精细模型的手动建立涉及多个管片部件的建立与装配至指定位置、多个环向螺栓的建模与装配、管片间相互作用的创建与赋予、螺栓与相邻衬砌管片间的相互作用或约束。由此可以发现，包含多个管片与螺栓的单环盾构隧道衬砌的手动建模极为繁琐。此外，衬砌裂纹模拟过程涉及多方面的设置，包括混凝土本构模型的选取、裂纹模拟的关键操作等等，对不具有相关建模经验、理论背景的工程技术与科研人员而言，上述设置极为复杂，因而不利于相关技术、科研人员围绕衬砌开裂开展研究工作。
[0003]导致上述问题的原因在于：1.大型商业有限元软件(如ABAQUS)大多属通用软件，覆盖的领域众多，针对隧道工程问题的计算分析仅能满足基本的建模需求，未针对隧道结构的精细化建模具体、详细、全面设置包含多个衬砌管片和螺栓的创建与连接在内的快速建模模块；2.现有大型商业有限元软件的开发者不具备相应的理论知识背景、未及时了解到隧道从业人员对衬砌精细化建模的使用需求；3.部分隧道工程技术、科研人员未掌握考虑多个衬砌管片与螺栓的精细化建模技术方法；4.现有商业有限元软件中，混凝土裂纹模拟方式有多种，每种方式的关于混凝土开裂的设置均较为复杂，部分隧道工程技术、科研人员不具备混凝土裂纹模拟的相关知识，因而难以短时间内快速、准确建立相关模型。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：当前现有的基于商业有限元软件的隧道衬砌精细化建模仅能依靠手动方式，包括手动建立多个管片部件与装配至指定位置、多个环向螺栓的建模与装配、管片间相互作用的创建与赋予、螺栓与相邻衬砌管片间的相互作用或约束，繁琐耗时；关于混凝土衬砌开裂的模拟设置复杂且要求使用者具备较高深的理论知识背景。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法包括：
[0007]步骤一，管片部件的创建与装配；
[0008]步骤二，螺栓部件的创建与装配；
[0009]步骤三，相互作用与约束的创建；
[0010]步骤四，网格划分，根据用户输入的网格尺寸，程序自动为所有管片和螺栓划分网格；
[0011]步骤五，分析步创建；
[0012]步骤六，裂纹模拟相关设置；
[0013]步骤七，程序完成建模后，用户需根据自身需要设置荷载、边界条件以及为螺栓设置本构，最后提交计算。
[0014]进一步，步骤一中，程序默认单环衬砌含6个管片、12个螺栓，根据用户输入的衬砌内径、外径、宽度以及各个管片的圆心角逐个自动绘制管片的草图、创建部件，其中在绘制草图环节，考虑了各个管片的空间位置关系，即每个管片真实的三维空间坐标，由此在管片部件装配时，可自动实现各个管片按照真实坐标、相互间空间位置关系装配，无需对部件逐个旋转、移动。
[0015]进一步，步骤二中，根据用户输入的螺栓尺寸，自动创建一个螺栓部件并装配至整个衬砌的圆心位置，此时螺栓轴线方向为竖直；然后程序根据用户输入的各个管片的圆心角、螺栓保护层厚度(即螺栓在衬砌环向的位置信息)、衬砌内径、螺栓距管片纵向(程序默认整个隧道的轴向为纵向)边界的距离占比，自动计算螺栓在圆心处的旋转角度、圆心距两相邻管片接缝的移动向量，进而将螺栓移动至接缝处且螺栓轴线方向与接缝垂直，程序中使用循环语句重复上述步骤，直至12个螺栓全部创建、装配完毕。
[0016]进一步，步骤三中，程序可自动创建管片之间的相互作用，包含管片接缝法向的无侵彻的硬接触和切向的摩擦(摩擦系数默认设为0.5)，无需用户做任何操作或设置；若用户需修改摩擦系数甚至所有相互作用的设置，可待程序执行完毕后自行在ABAQUS中修改；另外，程序可自动创建一个包含所有螺栓的集合(默认命名为Set
‑
bolt)、一个包含所有管片的集合(默认命名为Set
‑
lining)，进而利用上述集合、使用ABAQUS自带的Embedded(内埋)约束将所有螺栓内埋于管片，从而实现螺栓与管片间的约束。
[0017]进一步，步骤五中，程序自动创建一个静力通用分析步，考虑到混凝土衬砌的裂纹模拟，程序默认将几何大变形设为开启、将增量数上限提高至10000、将最小增量设为1
×
10
‑
10
、将初始和最大增量设置为0.01。
[0018]进一步，步骤六具体包括：首先，根据用户输入的参数，程序自动创建衬砌管片的材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比以及Maxps损伤，其中程序默认设Maxps损伤以位移为判据，即超过规定的位移即出现开裂，Maxps损伤中需要用户输入的参数包括混凝土最大主应力、开裂位移，程序自动为用户设置了数值为0.0005的损伤稳定粘性系数，该系数可有效提高模型计算的收敛性；程序未设置螺栓的本构模型，其原因在于螺栓为钢材，根据不同
的模拟需要可用的本构有多种且多种本构又具有多种材料属性参数的设置方式，未设置螺栓的本构模型可为用户保留自行选择、设置螺栓本构的空间；关于裂纹出现的部位的，本专利技术为用户提供了两种方式：1.裂纹出现在某一管片部件；2.所有管片部件均为裂纹可能出现的部位；当用户选择“裂纹出现在某一管片部件”且输入部件名称时，程序可自动创建XFEM设置且裂纹出现的部位为选中的部件内；当用户选择“所有管片部件”时，程序通过循环语句，进行6次XFEM设置，分别对应各个管片；裂纹设置中未指定初始裂纹，即裂纹为在设定的部件内随机出现并扩展延申。
[0019]本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模系统，盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模系统包括：
[0020]创建模块，用于管片部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，其特征在于，该方法自动创建并装配了管片和螺栓部件，利用各个管片的空间位置关系和真实的三维空间坐标，实现了无需人工旋转、移动就能自动装配的过程；它还能自动创建螺栓和管片之间的相互作用和约束，然后通过用户输入的网格尺寸来自动划分网格；程序默认设定了针对混凝土衬砌裂纹模拟的静力通用分析步。2.如权利要求1所述的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，其特征在于，包括：步骤一，管片部件的创建与装配；步骤二，螺栓部件的创建与装配；步骤三，相互作用与约束的创建；步骤四，网格划分，根据用户输入的网格尺寸，程序自动为所有管片和螺栓划分网格；步骤五，分析步创建；步骤六，裂纹模拟相关设置；步骤七，程序完成建模后，用户需根据自身需要设置荷载、边界条件以及为螺栓设置本构，最后提交计算。3.如权利要求2所述的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，其特征在于，步骤一中，程序默认单环衬砌含6个管片、12个螺栓，根据用户输入的衬砌内径、外径、宽度以及各个管片的圆心角逐个自动绘制管片的草图、创建部件，其中在绘制草图环节，考虑了各个管片的空间位置关系，即每个管片真实的三维空间坐标，由此在管片部件装配时，可自动实现各个管片按照真实坐标、相互间空间位置关系装配，无需对部件逐个旋转、移动。4.如权利要求2所述的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，其特征在于，步骤二中，根据用户输入的螺栓尺寸，自动创建一个螺栓部件并装配至整个衬砌的圆心位置，此时螺栓轴线方向为竖直；然后程序根据用户输入的各个管片的圆心角、螺栓保护层厚度、衬砌内径、螺栓距管片纵向边界的距离占比，自动计算螺栓在圆心处的旋转角度、圆心距两相邻管片接缝的移动向量，进而将螺栓移动至接缝处且螺栓轴线方向与接缝垂直，程序中使用循环语句重复上述步骤，直至12个螺栓全部创建、装配完毕。5.如权利要求2所述的盾构隧道衬砌裂纹数值模拟的参数化精细建模方法，其特征在于，步骤三中，程序可自动创建管片之间的相互作用，包含管片接缝法向的无侵彻的硬接触和切向的摩擦，无需用户做任何操作或设置；若用户需修改摩擦系数甚至所有相互作用的设置，可待程序执行完毕后自行在ABAQUS中修改；另外，程序可自动创建一个包含所有螺栓的集合、一个包含所有管片的集合，进而利用上述集合、使用ABAQUS自带的Embedded约...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚二雷，苗雨，张继楷，袁俊，黎卫超，朱莅，饶宇，杨招伟，马晨阳，刘美山，刘志芳，王秀杰，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：