一种面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法

摘要

本发明公开了一种面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，包括步骤：S1、实体建模；S2、定义材料属性；S3、有限元网格分层划分：沿GINA止水带厚度方向对鼻尖、主体、底部按照橡胶胶料硬度大小比例关系进行网格分层划分；S4、装配部件；S5、定义约束；S6、设置分析步；S7、定义边界条件和分段加载竖向位移；S8、建立分析文件并运行以进行分析。本发明具有操作简便、避免网格过度扭曲变形甚至畸变从而使分析结果失真等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及大变形橡胶特性分析技术领域，具体涉及一种面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法。

背景技术

目前，用于沉管隧道的GINA止水带(gina waterstop)往往采用单硬度橡胶硫化而成，而GINA止水带的鼻尖、主体、底部都具有专项功能，即鼻尖主要用于压缩，主体主要用于压缩、剪切及承载，底部主要用于承载，因此采用单硬度橡胶无法满足鼻尖、主体及底部的特有功效，具有一定的局限性。在这种情况下，根据GINA止水带鼻尖、主体及底部的功效所需而设置三者相匹配的胶料，即采用硬度分层方法，从而增强GINA止水带的密封性和可靠性。

GINA止水带密封装置的弹性构件为GINA止水带，其属于超弹性材料且弹性模量较小，在竖向承载时竖向压缩量较大(一般取厚度的一半)，导致止水带的变形量较大，非线性程度很高。GINA止水带密封装置涉及弹性减振性能，一般需要通过有限元技术或试验对GINA止水带进行性能检测，而通常采用有限元技术对装置进行力学性能分析。对GINA止水带进行橡胶体大变形分析时，往往会因为GINA止水带的橡胶材料超弹性特性、厚度小、竖向压缩量大、几何非线性、边界条件非线性等因素导致网格过度扭曲变形，使分析无法收敛从而导致计算失败。传统的网格生成方法与竖向位移加载方法对密封装置进行分析时，由于普通网格划分方法与常规竖向位移加载方法的局限性，在GINA止水带大变形过程中，网格畸变非常严重，且竖向加载位移过大，易导致分析计算中止。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种避免网格过度扭曲变形甚至畸变从而使分析结果失真的面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，包括步骤：

S1、实体建模；

S2、定义材料属性；

S3、有限元网格分层划分：沿GINA止水带厚度方向对鼻尖、主体、底部按照橡胶胶料硬度大小比例关系进行网格分层划分；

S4、装配部件；

S5、定义约束；

S6、设置分析步；

S7、定义边界条件和分段加载竖向位移；

S8、建立分析文件并运行以进行分析。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S3中，胶料硬度大的底部部位沿厚度H方向网格种子不加密，胶料硬度较小的主体部位沿厚度方向网格种子加密a倍，胶料硬度最小的鼻尖部位沿厚度方向网格种子加密b倍；其中1

在步骤S3中，外在分析中会与预埋钢板倒角部位接触的GINA止水带局部部位进行网格加密。

其中a为1.25，b为1.5。

在步骤S3中，加压工装与预埋钢板的网格划分采用C3D8R实体单元，而GINA止水带采用C3D8RH实体杂交单元。

在步骤S8中，在分析文件运行时，若某个分析步难以收敛，将该分析步对应的分段加载竖向位移再次分解成两个或若干个分段加载竖向位移，并再次返回到步骤S6，增加两个以上的分析步，并将步骤S7中分段加载竖向位移进行重新定义，保存分析文件，再运行，直至该分析步完成收敛。

在步骤S6中，GINA止水带每增加一段分段加载竖向位移，相应增加一个分析步，并将初始增量步设置0.001以下，增量步的最小数目为1E-010，增量步的最大数目设置为0.1。

在步骤S1中，GINA止水带采用三维有限元建模，并采用分段式GINA止水带有限元模型，并采用缩比模型进行分析。

在步骤S2中，在GINA止水带的鼻尖、主体、底部分别定义邵尔A40度、50度、60度胶料。

在步骤S7中，在预埋钢板底部施加固定约束，并在GINA止水带密封装置三维有限元模型的两端设置对称边界条件，即沿长度方向位移装置平移自由度为零，其他两个方向的旋转自由度为零。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，由于GINA止水带特有的硬度分层结构形式，即鼻尖、主体及底部匹配硬度不同的橡胶胶料，且胶料硬度不同，其对应的橡胶压缩变形程度不同(胶料硬度大小与对应的橡胶变形程度呈反比)，导致GINA止水带的鼻尖、主体及底部三者的变形程度呈现下降的趋势。由于GINA止水带的竖向位移加载沿其厚度方向，导致GINA止水带的变形主要沿厚度H方向进行。为了使分析中GINA止水带的鼻尖、主体及底部三者的变形程度保持一致，不至于某一结构单元的变形程度过大，导致网格扭曲变形过大甚至畸变，因此将GINA止水带三个结构单元的网格密度沿厚度呈现不同的疏密程度，即鼻尖部分网格加密1.5倍，主体部分网格加密1.25倍，底部部分网格不加密，且都沿GINA止水带厚度H方向进行，其中加密倍数根据实际情况而定。通过上述不同加密倍数克服了现有的橡胶网格生成方法不适应GINA止水带的大变形且易导致网格过度畸变无法收敛而计算失败的缺陷，从而使分析能够产生连续而又真实的应力。

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，由于GINA止水带的竖向位移加载过大，导致GINA止水带的分析步到了最后阶段难以收敛从而使计算失败。在分析开始时，先设置较小的竖向加载位移U1和相应的分析步STEP-1，使GINA止水带的接触分析能够平稳顺利开始，再增加剩余的分段加载竖向位移U2和相应的分析步STEP-2。如果分析步STEP-2由于分段加载竖向位移过大，会导致GINA止水带网格变形程度过大，使接触分析状态超出了接触分析的设置参数的临界条件，从而导致分析立即中止。为了使该分析步STEP-2能够顺利进行下去，将该分析步STEP-2对应的竖向加载位移U2再次分解成两个或若干个竖向加载位移(U3、U4或U3、U4、U5等)，即将竖向位移进行分段加载，减小GINA止水带的网格变形程度，使其接触分析状态不超出接触分析设置参数的容许范围，从而避免分析无法收敛的不足。这种竖向位移分段加载的方法既降低了分析无法收敛的风险，又能避免网格过度扭曲变形甚至畸变从而使分析结果失真的缺陷。

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，采用的GINA止水带密封装置为三维有限元模型，相比二维有限元模型，GINA止水带三维有限元模型的计算结果更准确。由于GINA止水带的材料非线性、几何非线性、边界条件非线性及硬度分层布置等，导致整段式GINA止水带三维有限元模型分析会产生无法收敛的问题，但分段式GINA止水带三维有限元模型分析不会产生难以收敛的问题，且单一硬度的GINA止水带的分段式计算模型与整段式计算模型两者的分析结果基本一致，因此采用分段式GINA止水带有限元模型既可以使分析顺利进行，同时还能获得与整段式GINA止水带有限元模型基本一致的分析结果。

本发明的分析方法简单方便，同时易于建模与检查；不仅可以应用于橡胶材料的大变形分析，还可以应用于跟橡胶材料具有类似变形特性的材料(如聚氨酯材料等)的大变形分析。

附图说明

图1为本发明的方法在实施例的流程图；

图2为本发明中的GINA止水带密封装置横截面结构示意图；

图3为本发明中的GINA止水带密封装置整段式立体结构示意图；

图4为本发明中的GINA止水带密封装置分段式立体结构示意图；

图中标号表示：1、加压工装；2、鼻尖；3、GINA止水带；4、主体；5、底部；6、预埋钢板；7、螺栓。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2～4所示，其中沉管隧道用GINA止水带3包括鼻尖2、主体4和底部5，其中GINA止水带3位于加压工装1与预埋钢板6之间，其中预埋钢板6通过螺栓7固定于底座上。

如图1所示，本实施例的面向沉管隧道用GINA止水带的分析方法，包括步骤：

S1、实体建模：GINA止水带密封装置(如图4所示)采用三维有限元建模，并采用分段式GINA止水带有限元模型；为了减小计算代价，采用GINA止水带密封装置缩比模型进行分析；

S2、定义材料属性；其中在GINA止水带3的鼻尖2、主体4、底部5分别定义邵尔A40度、50度、60度胶料；

S3、有限元网格分层划分：沿GINA止水带3厚度方向对鼻尖2、主体4、底部5按照橡胶胶料硬度大小比例关系进行网格分层划分；

S4、装配部件；

S5、定义约束；

S6、设置分析步；

S7、定义边界条件和分段加载竖向位移；

S8、建立分析文件并运行以进行分析。

在步骤S3中，对主要部件进行网格划分，加压工装1、预埋钢板6网格尺寸较大，而GINA止水带3网格尺寸较小，并沿GINA止水带3厚度H方向对鼻尖2、主体4、底部5按照橡胶胶料硬度大小比例关系进行网格分层划分，即胶料硬度大的底部5部位沿厚度H方向网格种子不加密，胶料硬度较小的主体4部位沿厚度方向网格种子加密1.25倍，胶料硬度最小的鼻尖2部位沿厚度方向网格种子加密1.5倍；上述加密倍数根据实际情况进行选择。此外，在分析中会与预埋钢板6倒角部位接触的GINA止水带3局部部位需要进行网格加密。

在步骤S3中，加压工装1与预埋钢板6的网格划分采用C3D8R实体单元，而GINA止水带3采用C3D8RH实体杂交单元。

在步骤S7中，在加压工装1参考点施加GINA止水带3分段加载竖向位移。在步骤S8中，在分析文件运行时，若某个分析步STEP-X难以收敛，将该分析步STEP-X对应的分段加载竖向位移UX再次分解成两个或若干个分段加载竖向位移(UX、UY或UX、UY、UZ等)，并再次返回到步骤S6增加两个或若干个分析步(STEP-X、STEP-Y或STEP-X、STEP-Y、STEP-Z等)，并将步骤S7中分段加载竖向位移进行重新定义，保存分析文件，再运行，直至该分析步完成收敛。

在步骤S6中，GINA止水带3每增加一段分段加载竖向位移，相应增加一个分析步，并将初始增量步设置0.001甚至更小，增量步的最小数目为1E-010，增量步的最大数目设置为0.1。

在步骤S7中，在预埋钢板6底部施加固定约束，并在GINA止水带3密封装置三维有限元模型的两端设置对称边界条件，即沿长度方向位移装置平移自由度为零，其他两个方向的旋转自由度为零。

在步骤S8中，勾选一般选项中的打印接触约束数据，以便分析出现无法收敛时进行检查，检查问题并修改接触、约束设置。

其中整段式GINA止水带：当GINA止水带3沿长度方向两端经过硫化连为一个整体(闭合状态)，即为整段式GINA止水带，相应的GINA止水带3密封装置即整段式，如图3所示。

分段式GINA止水带：当GINA止水带3沿长度方向两端没有硫化成整体，即为分段式GINA止水带，如图4所示。

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带3的分析方法，由于GINA止水带3特有的硬度分层结构形式，即鼻尖2、主体4及底部5匹配硬度不同的橡胶胶料，且胶料硬度不同，其对应的橡胶压缩变形程度不同(胶料硬度大小与对应的橡胶变形程度呈反比)，导致GINA止水带3的鼻尖2、主体4及底部5三者的变形程度呈现下降的趋势。由于GINA止水带3的竖向位移加载沿其厚度方向，导致GINA止水带3的变形主要沿厚度H方向进行。为了使分析中GINA止水带3鼻尖2、主体4及底部5三者的变形程度保持一致，不至于某一结构单元的变形程度过大，导致网格扭曲变形过大甚至畸变，因此将GINA止水带3三个结构单元的网格密度沿厚度呈现不同的疏密程度，即鼻尖2部分网格加密1.5倍，主体4部分网格加密1.25倍，底部5部分网格不加密，且都沿GINA止水带厚度H方向进行，其中加密倍数根据实际情况而定，从而克服了现有的橡胶网格生成方法不适应GINA止水带3的大变形且易导致网格过度畸变无法收敛而计算失败的缺陷，从而使分析能够产生连续而又真实的应力。

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带3的分析方法，由于GINA止水带3的竖向位移加载过大，导致GINA止水带3的分析步到了最后阶段难以收敛从而使计算失败。在分析开始时，先设置较小的竖向加载位移U1和相应的分析步STEP-1，使GINA止水带3的接触分析能够平稳顺利开始，再增加剩余的分段加载竖向位移U2和相应的分析步STEP-2。如分析步STEP-2由于分段加载竖向位移过大，会导致GINA止水带3网格变形程度过大，使接触分析状态超出了接触分析的设置参数的临界条件，从而导致分析立即中止。为了使该分析步STEP-2能够顺利进行下去，将该分析步STEP-2对应的竖向加载位移U2再次分解成两个或若干个竖向加载位移(U3、U4或U3、U4、U5等)，即将竖向位移进行分段加载，减小GINA止水带3的网格变形程度，使其接触分析状态不超出接触分析设置参数的容许范围，从而避免分析无法收敛的不足。这种竖向位移分段加载的方法既降低了分析无法收敛的风险，又能避免网格过度扭曲变形甚至畸变从而使分析结果失真的缺陷。

本发明的面向沉管隧道用GINA止水带3的分析方法，采用的GINA止水带3密封装置为三维有限元模型，相比二维有限元模型，GINA止水带3三维有限元模型计算结果更准确。由于GINA止水带3的材料非线性、几何非线性、边界条件非线性及硬度分层布置等，导致整段式GINA止水带三维有限元模型分析会产生无法收敛的问题，但本发明中的分段式GINA止水带三维有限元模型分析不会产生难以收敛的问题，且单一硬度的GINA止水带的分段式计算模型与整段式计算模型两者的分析结果基本一致，因此采用分段式GINA止水带有限元模型既可以使分析顺利进行，同时还能获得与整段式GINA止水带有限元模型基本一致的分析结果。

本发明的分析方法简单方便，同时易于建模与检查，不仅可以应用于橡胶材料的大变形分析，还可以应用于跟橡胶材料具有类似变形特性的材料(如聚氨酯材料等)的大变形分析。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。