ADINA有限元分析：前处理、模型定义和材料属性设置

1.定义几何及网格密度

启动ADINA-AUI，程序模块选择为ADINA Structures。

单击菜单File→Open（或图标），读取命令流文件01_model.in，此时图形区将给出如图10-75所示的几何模型。命令流文件中包含下列命令：①建立几何模型；②设定了网格密度。详细的建模过程读者可自行参看命令流文件。

图10-75 几何模型示意图

2.定义材料

定义人工填土摩尔-库伦材料属性：单击图标，在弹出的对话框中单击Mohr-Coulomb按钮。在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料1，在Young’s Modulus处输入4.826 E6，在Poisson’s ratio处输入0.35，在Density处输入1890，在Friction Angle处输入15.7，在Cohesion处输入26.6 E3，退选Use Specified Dilation Angle选项，单击Save按钮。

定义粉质黏土摩尔-库伦材料属性：在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料2，在Young’s Modulus处输入3.001E6，在Poisson’s ratio处输入0.339，在Density处输入1790，在Friction Angle处输入21.1，在Cohesion处输入19.3 E3，退选Use Specified Dilation Angle选项，单击Save按钮。

定义粉土摩尔-库伦材料属性：在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料3，在Young’s Modulus处输入9.531 E6，在Poisson’s ratio处输入0.28，在Density处输入1890，在Friction Angle处输入27.7，在Cohesion处输入27.2 E3，退选UseSpecified Dilation Angle选项，单击Save按钮。

定义粉砂摩尔-库伦材料属性：在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料4，在Young’s Modulus处输入10.555 E6，在Poisson’s ratio处输入0.277，在Density处输入1870，在Friction Angle处输入28.6，在Cohesion处输入11 E3，退选Use Specified Dilation Angle选项，单击Save按钮。

定义粉细砂摩尔-库伦材料属性：在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料5，在Young’s Modulus处输入11.666 E6，在Poisson’s ratio处输入0.249，在Density处输入1890，在Friction Angle处输入32.1，在Cohesion处输入8.52 E3，退选Use Specified Dilation Angle选项，单击Save按钮。

再次定义粉质黏土的摩尔-库伦材料属性：为了直观的让材料与单元组一一相对应起来，则对于粉质黏土再定义一次。切换到材料2并单击Copy...按钮，将材料2的属性复制给材料6，单击Save按钮。

定义中砂摩尔-库伦材料属性：在Define Mohr-Coulomb Material对话框中单击Add...按钮来定义材料7，在Young’s Modulus处输入14.375 E6，在Poisson’s ratio处输入0.43，在Density处输入1910，在Friction Angle处输入33，在Cohesion处输入8.87 E3，退选Use Specified Dilation Angle选项，单击OK按钮退出对话框。

3.定义单元组

对于上述7个土层需要分别定义7个单元组与之一一对应。定义单元组的操作如下：

单击菜单Meshing→Element Group（或图标），将弹出定义单元组对话框。单击Add...按钮来定义单元组1，将Type选择为3D Solid，将Default Material选择为1，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组2，将Default Material选择为2，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组3，将Default Material选择为3，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组4，将Default Material选择为4，将Element Option设置为Porous Media（如图10-76所示），即：对土层4的粉砂考虑水土耦合时的孔隙压力作用，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组5，将Default Material选择为5，将Element Option设置为Porous Media（如图10-76所示），即：对土层5的粉细砂考虑水土耦合时的孔隙压力作用，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组6，将Default Material选择为6，单击Save按钮；单击Add...按钮来定义单元组7，将Default Material选择为7，将Element Option设置为Porous Media（如图10-76所示），即：对土层7的中砂考虑水土耦合时的孔隙压力作用，单击OK按钮退出对话框。

4.定义多孔介质属性

定义单元组时如果Element Option中选择为Porous Media，ADINA软件才允许读者定义多孔介质属性。需要注意的是：本实例中的时间按天数（day）来考虑。

单击菜单Model→Materials→Porous Media Property，在弹出的菜单中分别输入粉砂、粉细砂以及中砂的渗透系数，如图10-77所示。

将Material Number选择为4，在In X Direction处输入3.0769 E-4，在In Y Direction处输入3.0769 E-4，在In Z Direction处输入2.23935 E-4。

将Material Number选择为5，在In X Direction处输入2.57437 E-4，在In Y Direction处输入2.57437 E-4，在In Z Direction处输入2.87412 E-4。

图10-76 设置单元组的多孔介质属性

图10-77 设置渗透系数对话框

将Material Number选择为7，在In X Direction处输入5.80996 E-4，在In Y Direction处输入5.80996 E-4，在In Z Direction处输入7.89943 E-4。

提示：ADINA软件中渗透系数采用的有效渗透系数，在国际标准单位制下(m、s、kg)渗透系数（单位：m/s）除以水的重度9800（单位：m3．s/kg）作为有效渗透系数值输入即可。

5.划分网格

为第一层土划分网格：单击菜单Meshing→Create Mesh→Volume（或图标），在弹出的对话框中将Type选择为3-D Solid，将Element Group选择为1，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，并在表格中输入Volume 25～Volume36的所有体号，单击Apply按钮。

为第二层土划分网格：将Element Group选择为2，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，并在表格中输入Volume 13～Volume 24的所有体号，单击Apply按钮。

为第三层土划分网格：将Element Group选择为3，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，在表格中输入Volume 1～Volume 12的所有体号，单击Apply按钮。

为第四层土划分网格：将Element Group选择为4，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，在表格中输入Volume 37～Volume 44的所有体号，单击Apply按钮。

为第五层土划分网格：将Element Group选择为5，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，在表格中输入Volume 45～Volume 52的所有体号，单击Apply按钮。

为第六层土划分网格：将Element Group选择为6，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，在表格中输入Volume 53～Volume 60的所有体号，单击Apply按钮。

为第七层土划分网格：将Element Group选择为7，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate选项，在表格中输入Volume 61～Volume 68的所有体号，单击OK按钮。网格划分工作完毕。

单击图标、和，此时图形区将给出如图10-78所示的模型网格图，图中共包含7个单元组，分别使用不同的颜色来表示。

(https://www.xing528.com)

图10-78 模型网格图

6.定义并施加边界条件

将土层左右两端设置为透水边界，底部基岩则设置为不透水边界。对于透水边界条件，则应该将超孔隙水压力设置为零；由于不透水边界的边界条件与内部节点相同，因此可以不设置边界条件。

ADINA软件中默认的边界就是不透水边界。对于孔压边界，透水是约束边界，不透水则是自由边界。有两种施加透水边界条件的方法：

1）通过约束边界的形式施加。如果勾选“pore fluid pressure”，施加的孔压约束则为透水边界。

2）利用载荷边界中的“pore pressure”来定义孔压边界，孔压为零则表示透水边界。

单击图标，在弹出的对话框中单击Define...按钮，并按照如图10-79所示的设置来定义XF、YF的透水边界条件和ZF的不透水边界条件。请读者按照表10-15来定义模型的其他边界条件。

图10-79 边界条件设置对话框

表10-15 边界约束表

7.定义并施加抽水载荷

定义抽水载荷时，既可以直接将抽水载荷施加在第4、5、7层砂土的12个面（Surface）上，也可以直接施加在这12个面（Surface）所对应的单元面（Element-Face）上。这两种方法中，就界面操作而言，直接施加在单元面上的操作要更加方便一些。

定义Element-Face面：单击菜单Meshing→Elements→Element Face Set，在弹出的对话框中单击Add...按钮来定义单元面组1，选择Auto-Chain Element Faces方法，在Face Angle处输入20，任意选取抽水井面附近的某一单元面，如图10-80所示，单击Save按钮后，ADINA自动将相邻的单元面Auto-Chain到Element-Face添加到单元面组1中，如图10-81所示。

图10-80 Element-Face单元组（面Auto-Chain之前）

图10-81 Element-Face单元组（面Auto-Chain之后）

对于第6层粉质黏土的某些单元面（Element-Face），用户需要在单元面组1中进行删除。按下Shift键选中属于单元组6的所有单元面，单击Del Row删除即可，如图10-82所示。

图10-82 在Element-Face单元面组1中删除多余单元面

ADINA软件中规定：如果孔隙水压力为负，则表示单元向外排水；如果孔隙水压力为正，则表示单元向内吸水。在ADINA软件中可以通过施加抽水孔压（pore pressure）或施加孔隙流速（Pore Flow）来模拟抽水过程。

本实例将通过输入Pore Flow来模拟抽水过程，抽水流量Q=938.63m³/d，则Pore Flow=938.63/{2×3.14×0.4×（12.24+12.66+8.1）}=11.323m/d。

单击图标，在弹出的对话框中选择载荷类型为Pore Flow。单击Define按钮，在Mag-nitude处输入-11.323，单击OK按钮返回上一级窗口。在Apply to窗口中选择Element-Face Set并输入单元面1的号，如图10-83所示。

图10-83 施加抽水载荷

依次单击图标和，然后单击图标来关闭显示几何模型功能，单击图标在YZ平面显示网格模型，单击图标来透视显示模型，单击显示载荷图标，图形区将给出如图10-84所示的模型载荷图。

图10-84 模型载荷图

图10-85 关闭刚度矩阵特征值检查

8.关闭刚度矩阵特征值检查

单击菜单Control→Solution，在弹出的对话框中，勾选Continue Even When Non-Positive Definite Stiffness Ma-trix Encountered，如图10-85所示，设置刚度特征值非正定后，继续进行计算，这样做的原因是：在多孔介质分析中，由于孔隙水压力的存在，刚度矩阵特征值一般将出现负值。

9.定义时间步和步数

单击菜单Control→Time Step，在弹出的对话框中定义时间步长为0.2d，共计算30步，则总计算时间为6d。