[摘 要]在任何工程领域，包括城市道路领域，有限元分析是进行现代科学计算的非常的重要的方法之一，利用有限元分析可以得到几乎所有的复杂的工程结构的各种机械性能信息，还有就是可以直接按照工程设计进行各种各样的评价和判断，也可以按照各种工程事故来进行技术层面上的分析。
　　[关键词]有限元；ANSYS
　　中图分类号：TP603 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0115-01
　　一、有限元基本知识
　　有限元方法是用来解答各种比较复杂的数学和物理问题的重要的实践方法，也是用来是处理和解决各种复杂的工程问题的重要分析手段。这种方法的应用和实施主要包括三个方面：计算原理、计算机软件、计算机硬件。上述所说三个方面同时也是相互联系的，并且任何一个方面都不可以缺少。计算机应用技术的迅猛发展，可以使这种有限元方法的使用更加普遍地被接受，所以可以称之为最广泛使用的分析工具，目前，世界上十分之九以上的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析，并且还要进一步进行设计修改和优化。
　　有限单元法也是一种单纯的数值性的求解问题的方法，这种方法的原理是“化整为零”，也就是说把连续体离散化分为有限个单元，实质上结构离散化是用虚线或虚面把具有连续性质的介质划分为无数个有限性的单元，我们一般可以看做是由一定数目的一定大小的“单元”所组成，各个单元相互之间却是由有限多个节点互相组合联系起来的，这种方法得出的计算结果是基本未知量在结点处的一系列离散值，从而可以推断并求出其它的待定量。[39][40]
　　二、有限元分析的内容和作用
　　固体结构有限元分析的力学基础是弹性力学，但是方程求解的原理却是应用加权残值法或泛函数极值的原理，而具体的操作方法是数值化离散技术，直到最后的技术性的软件是优先与分析软件。正因为如此，我们进行有限元分析的主要内容包含：基本变量和力学方程、数学求解原理、离散结构和连续体的有限元分析、各个方面的应用领域、分析中的建模技巧、实现分析的软件平台等等。
　　我们知道，虽然有限元分析实现的最終手段是经过将诸多技术集成以后的有限元分析软件，但是即便我们能够使用并且熟练地操作有限元软件，也并不表示我们就掌握了有限元分析这种非常复杂的分析软件，因为对某一个实际问题，采用同样的有限元分析软件，不同的人也许可能会得到完全不一样的计算结果。用什么样的方法来评价和判断计算结构的有效与否和准确与否，这同样也是人们必须面对的重要的一个问题。
　　三、有限元分析的力学基础
　　由固体性质的材料组合而成的具有某种特定形状的物体在一定的约束边界下会产生变形，该物体中任意一个位置的材料都处于复杂的受力状态之中。当某个变形体受到外力的作用时，物体各个点的位置参数应该是最为直接的变量，它还会受到物体的体形状况、组成物体的材料质地以及外界荷载的影响。
　　四、有限元软件ANSYS选择的必要性
　　由于城市道路的结合处涉及到新老路基路面两个部分结构的相互作用与影响，并且这种相互作用很可能是高度非线性的，比如说新路基路面结构与老路基路面结构在结合处的接触以及粘接问题。这种相对比较复杂的非线性的行为并不能通过弹性层状体系理论，或是通过经典弹性力学的有关模型来解答。而有限元软件的出现明显为路基路面工程领域的力学分析提供了一个非常合适的工具，可以很方便地用来模拟道路材料的各种非线性，考虑不超过固定限值的尺寸的路基路面结构，考虑到各种情况的车轮压载的形式，从而弥补了多层次的弹性体系的理论的不足。所以为了研究新老路基路面的结合处的差异沉降的分析，本文采用了有限元软件ANSYS为工具，对于城市道路扩建工程中路基路面交接这方面的重点问题进行研究和分析。
　　五、有限元ANSYS软件的介绍
　　ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。此外，ANSYS在土木、水利、岩土工程等领域有广泛的应用。岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，在如此之多的因素作用下要获得理论解几乎是不可能的，而用ANSYS可以很好地模拟岩土的力学性能：工程结构大多建筑在土基上，土体与结构的相互作用直接影响到结构的受力和变形情况，过去限于计算方法，结构设计中对于土体与结构的相互作用以及地基的沉降过程，只能作一些粗糙的假定，使得计算结果与实际情况相差很远，而ANSYS可以考虑非线性应力一应变关系及分期施工过程，使得实际情况在计算中得到较好的反映；此外用ANSYS还可以分析岩土的应力一变形与稳定性；边坡应力及稳定性；路基、软基、桩基等的承载能力与沉降分析；路基土工合成材料间的相互作用的模拟。[44]·[46]
　　ANSYS软件主要包含三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。其中前处理模块给予了一种强大的实体建模以及甚至可以用来进行网格划分的工具，所以可以方便地构建出合适的有限元模型。分析计算模块包括结构分析（其中包含线性和非线性分析）、动力学分析、耦合分析等，可以模拟多种物理性介质的相互作用，具备优化和分析的能力；后处理模块甚至可以把计算结果以彩色的等值线表现、梯度表现、立体切片表现等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表的形式或者曲线的形式输出或显示。本软件还提供了多种多样的单元类型，可以用来模拟实际工程中的各种结构和材料。
　　六、土体本构关系
　　土的本构关系是相当复杂的，其具有诸如非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性、各项异性等，与此同时应力路径、地质的形成原因、强度发挥的程度以及土体本身的结构、组成成分、温度等均对其有影响。
　　但是现在，却没有任意的模型可以被人们用于任何的土体和任意的加载状况。现实中比较实用的方法是结合具体的实际工程选用既能考虑影响应力以及应变关系的主要因素，又可以在确定参数值和处理计算方法上均不太复杂的简化模型。但是土体是粘弹塑性变形的混合体，它的应力应变不是线性的。鉴于岩石、土体等材料属于类似于颗粒形状的材料，它在受压情况下的屈服强度也远远大于土体在受拉情况下的屈服强度，不仅仅只有静水压力可以引起土体塑性体积的变化，还有偏应力也可能引起塑性体积的变化（剪胀），所以本论文采用可以比较准确地表达这类材料特性的Druker-Prager模型，也就是简称为DP的模型。
　　七、筋土界面本构关系
　　接触其实是一种极其普遍的非线性行为，它是特殊而且重要的字集，存在于状态变化的非线性类型中，同样也是一种高度的非线性行为，一般接触可以被分为刚体-柔体接触、柔体-柔体接触。ANSYS可以模拟三种接触方式，它们分别是：点-点，面-面，点-面，本论文中的筋土界面我们采用的是面-面的接触方式。ANSYS可以模拟刚体-柔体的面-面的接触单元，目标面就是刚性面，分别用Targe169和Targe170来模拟2-D和3-D的目标面，接触面其实就是柔性体的表面，用Targe171，Targe172，Targe173，Targe174来模拟。其中一个目标单元和一个接触单元组成一个“接触对”，而程序则是通过设置共同享用的实常数来判别“接触对”。本篇论文主要是利用ANSYS程序内部的接触单元来模拟土体和格栅接触界面上的状态非线性，又因为格栅刚度远大于土体，所以我们可以把格栅视为目标面，本文中采用的是Targe170单元，而接触面上的土体则可以被我们视为接触面，本文选用Targe174来进行模拟，最后再通过定义一样的实常数把相互对应的接触单元和目标单元定义为一个接触对，这样便可以最终实现对土体与格栅界面上的脱离、粘结、再闭、滑移和现象的模拟。接触面强度准则采用库仑准则，即 。