ANSYS中莫尔-库伦本构模型的使用介绍

莫尔-库伦模型，简称MC模型，为理想弹塑性模型，其综合了胡可定律和库伦破坏准则，被广泛用于模拟大部分岩土材料。ANSYS软件从18.2版本开始引入了MC模型，今日水哥就简单介绍下18.2以上版本如何使用MC模型。

具体阐述用法之前，先简单介绍下在ANSYS中MC模型的输入参数。同DP模型，MC模型主要控制参数有5个，其中弹性模量和泊松比控制弹性行为，粘聚力、内摩擦角以及剪胀角控制塑性行为。

除上述5个参数外，还可以输入残余摩擦角以及残余粘聚力，输入参数一览表如下：

上述7个参数（表中5个参数+弹模+泊松比）为MC模型的基本参数，也是我们采用MC模型所必须定义的项目类型，项目类型标识符为Base。除此之外，还有如下项目类型可用于完善MC模型，具体使用时根据需要进行设置。

1、抗拉强度的定义，项目类型标识符为RCUT,输入参数为抗拉强度以及残余抗拉强度。

2、定义抗拉强度屈服面与莫尔库伦屈服面是否相关联，项目类型标识符为RSC,当值为0时代表不关联，当值为2时表示关联。

3、选择子午线类型，项目类型标识符为POTN，当值为0时，为莫尔-库伦势面，为默认值；当值为1时，为压缩子午线势面，当值为2时，为拉伸子午线势面。

除上述项目外，还可以通过定义摩擦角、粘聚力、剪胀角、抗拉强度四个参数的应变软化函数来定义应变软化莫尔-库伦模型，类似FLAC3D软件中的软化莫尔库仑模型，项目类型标识符分别为FRICTION、TENSION、DILATATION 、TENSION。

标准的MC模型输入格式如下：

/prep7

MP,EX,1,20.0E9

MP,NUXY,1,0.2

phi=30         ! 内摩擦角

c=8.7e6        ! 粘聚力

psi=15         ! 剪胀角

phir=20        ! 残余内摩擦角

cr=0.8*c       ! 残余粘聚力

sigt=3e6        ! 抗拉强度

sigtr=0.8*sigt ! 残余抗拉强度

TB,MC,1,,,BASE  !定义基本参数

TBDATA,1,phi,c,psi,phir,cr

TB,MC,1,,,RCUT  !定义抗拉强度

TBDATA,1,sigt,sigtr

TB,MC,1,,,RSC   !定义抗拉屈服与剪切屈服是否关联

TBDATA,1,0

当然了，前文输入的材料格式是标准参数输入，在实际使用过程中，对于一般普通的岩土材料，我们计算时只输入内摩擦角和粘聚力即可，类似DP材料本构的输入了。

下面为对比ANSYS中MC模型使用的有效性，以MidasNX作为对比软件，分析如下边坡在顶部荷载作用下的变形。材料弹性模量为35.6Mpa,泊松比为0.28，材料密度为1800kg/m^3，内摩擦角为24.5度，粘聚力为30Kpa,采用平面单元分析。

ANSYS 命令流如下：

finish

/clear

/filname,SX

/prep7

et,1,plane182

keyopt,1,3,2  !平面应变

!================

!材料参数

mp,ex,1,35.60e6

mp,prxy,1,0.28

mp,dens,1,1800

TB,MC,1,,,BASE  !定义MC基本参数

TBDATA,1,24.5,30e3

!===================

k,1

k,2,30

k,3,30,15

k,4,20,15

k,5,10,10

k,6,0,10

A,1,2,3,4,5,6

esize,1

amesh,all

!====================

lsel,s,loc,y,15

sfl,all,pres,20e3

!===================

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,30

d,all,ux,0

nsel,s,loc,y,0

d,all,all,0

!====================

/solu

allsel,all

time,1

autots,on

nsubst,1000

cnvtol,m,-1

acel,,9.8

solve

/post1

plnsol,u,sum

plnsol,s,eqv

模型截图如下：

Midas NX材料参数输入如下：

Midas 模型如下：

结果对比：

一、位移云图

ANSYS位移云图

Midas位移云图

二、应力对比

ANSYS应力云图

Midas应力云图

三、对比结果说明

    从云图可见，ANSYS最大位移值为50.84mm，Midas最大位移值为 49.57mm，两者相差约2.56%；ANSYS最大应力值为164077Pa，Midas最大应力值为156099Pa，两者相差约5.11%，考虑网格不同等因素，可见在ANSYS中采用莫尔-库伦模型能达到工程精度。

祝好

ANSYS结构院

2020.08.10