ANSYS中同时对一批节点施加耦合集CP和径向位移约束时容易犯错...

深蓝梦境

　　ANSYS中同时对一批节点施加耦合集CP和径向位移约束时容易犯错的地方
　　一、情况说明
　　3D 竖直水泥土加劲抗拔桩，带分散板的钢绞线埋于水泥土桩体内，钢绞线分自由段和锚固段，在ANSYS中用两种方法模拟接触。在自由段处，钢绞线与水泥土接触，只是摩擦系数MU=0，完全光滑，在 ANSYS中用TARGET170和CONTACT173接触单元模拟;在锚固段处，用COMBIN39法向和切向弹簧模拟。该桩型中仅有一块分散板，位于桩底，在建模时，仅建立了3D钢绞线、水泥桩体和桩周土体，没有建立分散板，假设分散板绝对刚性，其上水泥土体的竖向位移与相邻处的钢绞线底部节点位移相同，相当于这些节点用刚性杆连接起来。在ANSYS中需要使用CP命令，建立耦合集(等同于约束方程)。另一方面，由于参与上述耦合集的钢绞线底部节点同时为锚固段-水泥土接触单元(COMBIN39)中的节点，模型中该处接触面为圆柱面，需将法向弹簧上的节点默认坐标CSYS0转换为极坐标(使用命令NROTAT)。这样，对用一批节点(钢绞线底部节点)，模型中同时施加了耦合集CP和径向位移约束(法向接触弹簧)，若是耦合集CP和径向位移约束各自的坐标方向不同，计算结果相差很大，甚至错误。


　　以上述模型为例，在耦合集CP中，分散板上水泥土体节点坐标系为CSYS0，即为整体笛卡尔坐标系，Z向竖直向上为正;在耦合集CP中的另一部分节点((钢绞线底部节点)，因为连接弹簧使用了节点坐标旋转命令，将节点坐标转换为CSYS12(为极坐标系，Z向竖直向下为正)，同一耦合集中，有的节点Z向竖直向上为正，有的节点Z向竖直向下为正，造成节点约束位移混乱，其计算结果错误。
　　正确的设置方法是：需保证耦合集中各节点的坐标系方向相同，分散板上水泥土体节点坐标系为CSYS0(为极坐标系，Z向竖直向上为正)，钢绞线底部节点坐标系为CSYS13(为极坐标系，Z向竖直向上为正)。
　　错误的命令流：
　　ESEL,S,TYPE,,3,4 !选择杆轴-桩体锚固段
　　NSLE,S
　　CSYS,12
　　NROTAT,ALL !将COMBIN39节点坐标改为CSYS12
　　CMSEL,S,PILE
　　ASLV,S
　　CSYS,12
　　ASEL,R,LOC,X,0,d_plate/2
　　ASEL,R,LOC,Z,bondlength !选择分散板上的桩体
　　CM,PLATEPILE,AREA
　　NSLA,S,1
　　CM,PLATELOWNODE,NODE
　　CMSEL,S,SHAFT
　　ASLV,S
　　nsla,s,1
　　NSEL,R,LOC,Z,bondlength
　　NSEL,R,LOC,X,d_shaft/2
　　CM,PILELOWNODE,NODE
　　CMSEL,A,PLATELOWNODE
　　CP,1,UZ,ALL !由于没有建立分散板要耦合节点
　　正确的命令流：
　　ESEL,S,TYPE,,3,4 !选择杆轴-桩体锚固段
　　NSLE,S
　　CSYS,13 !(唯一区别)
　　NROTAT,ALL !将COMBIN39节点坐标改为CSYS13
　　CMSEL,S,PILE
　　ASLV,S
　　CSYS,12
　　ASEL,R,LOC,X,0,d_plate/2
　　ASEL,R,LOC,Z,bondlength !选择分散板上的桩体
　　CM,PLATEPILE,AREA
　　NSLA,S,1
　　CM,PLATELOWNODE,NODE
　　CMSEL,S,SHAFT
　　ASLV,S
　　nsla,s,1
　　NSEL,R,LOC,Z,bondlength
　　NSEL,R,LOC,X,d_shaft/2
　　CM,PILELOWNODE,NODE
　　CMSEL,A,PLATELOWNODE
　　CP,1,UZ,ALL !由于没有建立分散板要耦合节点
　　备注：
　　1、CP命令
　　Defines (or modifies) a set of coupled degrees of freedom.Coupling can be used to model various joint and hinge effects. A more general form of coupling can be done with constraint equations (CE)
　　2、NROTAT命令
　　Rotates nodal coordinate systems into the active system.
　　节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。
　　节点坐标系则用于定义节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系。在实际应用中，有时需要给节点施加不同于坐标系主方向上的载荷或约束，这就需将节点坐标系旋转到所需要的方向，然后在节点坐标系上施加载荷或约束。
　　二、错误模型和正确模型的计算结果对比
　　1、错误模型
　　1)桩周土体的竖向位移及竖向应力(T=1.00)


　　2)桩底分散板处局部水泥土的竖向位移和应力(T=1.00)

　　上图结果明显有问题，因为钢绞线底部的上拔位移很大(约为132mm)，而桩底之上的水泥土体由于位移协调，其竖向位移应该与钢绞线底部位移相同，但上图显示仅为-0.107mm，说明此处节点耦合集有问题。

　　3)钢绞线轴力沿杆长的分布图(T=1.00)

　　2、正确模型
　　1)桩周土体的竖向位移及竖向应力(T=1.00)


　　2)桩底分散板处局部水泥土的竖向位移和应力(T=1.00)

　　3)钢绞线轴力沿杆长的分布图(T=1.00)





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