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摘 要：本文提出了运用有限元分析软件ABAQUS研究管土相互作用的几种方法，建立了相关模型，并分析了这几种方法的适用条件及其优缺点，提出了今后的研究方向，为研究管土之间相互作用提供参考。
关键词：ABAQUS 管土作用 土弹簧 PSI单元 接触面法
ABAQUS是国际上功能最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反映土体形状的本构模型，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。ABAQUS的非线性性能最强，在有限元计算中独具优势。在石油行业中，经常会涉及管道与土壤相互作用的问题，这些问题直接关乎管道安全施工和运行，尤其是管道处于不均匀沉降、地震等不良条件下。研究土壤与管道的相互作用，提高求解计算的精度，对管道安全至关重要。
管土相互作用很复杂，利用解析方法求解管道的应力难度大，计算量大，利用有限元分析软件对管道的相互作用进行数值模拟，简化了计算，求解精度高。
ABAQUS在模拟管土相互作用时主要有以下几种方法：土弹簧法、PSI单元法、接触面法。
一、土弹簧法
土弹簧法将土壤离散成一个个按照一定间距分布的弹簧，通过弹簧的刚度系数反映土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。
1.土弹簧模型
二、PSI单元法
PSI单元法对于大多数静力和动力问题都能够解决，可以避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点更加明显，既能保证管道本体对管道的作用，又大大减少单元的数量。但是，PSI单元只有位移自由度，主要施加位移载荷，如果不知道位移载荷，就不能采用这种方法。此外，这种方法不能查看管道截面云图。
三、接触面法
如果需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必须要采用接触算法。接触面算法通过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最后在施加的载荷条件下完成计算。接触面之间的相互作用包括两个部分：接触面的法向作用和切向作用[5]。
1.法向模型
一般来说，两物体只有在压紧状态才传递法向压力，存在间隙时不传递法向压力，这种法向行为在ABAQUS中成为硬接触。
四、方法比选
1.计算精度
同一个物理模型，如果越接近实际情况，求解的精度越高，如果有限元模型越简化，忽略的因素越多，计算精度越低，误差越大。计算精度：接触面法>土弹簧法>PSI单元法。
2.计算时间
模型的大小和计算求解的方程数量决定了计算时间，对于同一个物理模型，按照时间排序为：接触面法>土弹簧法>PSI单元法。
3.收敛性
有限元模型的收敛程度很大程度上取决于建立模型的复杂性，收敛性从好到差依次排列分别为：PSI单元法>土弹簧法>接触面法。
这几种方法各有优劣，都可以在一定程度上很好地模拟管土作用，选用哪种方法计算，需要视管道长度，边界条件，计算精度以及是静力分析还是动态问题等情况而定。
五、结论
本文总结了运用有限元分析软件ABAQUS模拟管土作用的方法，建立了计算模型。目前看来，有限元分析管土作用是最有效的方法。未来的发展方向主要着重于模型参数取值研究，精细化建模。随着计算机运算速度的提升，接触面法会越来越多的替代土弹簧法。
参考文献
[1]油气输送管道线路工程抗震技术规范.GB 50470-2008.
[2] 袁秀霞，武宗良，侯庆志，韩爱红.土体特性对埋地管道的影响.人民黄河，2010，32（5）：103-105.
[3] 岳庆霞，吴华勇，李杰.管土动力相互作用分析.地震工程与工程振动，2007，27（3）：132-136.
[4]沈新普.ABAQUS在能源工程中的应用.机械工业出版社[M]，2010.
[5]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社[M]，2010，1.
作者简介：马超，男，生于1987年，湖北监利人，硕士研究生在读，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院油气储运工程专业，2012年作为入站研究生，在中国石油管道公司科技中心工作，从事管道地质灾害风险评价相关方面的研究。
关键词：ABAQUS 管土作用 土弹簧 PSI单元 接触面法
ABAQUS是国际上功能最强大的大型通用有限元分析软件之一，拥有能够真实反映土体形状的本构模型，具有强大的接触面处理功能来模拟土与结构之间的脱开、滑移等现象。ABAQUS的非线性性能最强，在有限元计算中独具优势。在石油行业中，经常会涉及管道与土壤相互作用的问题，这些问题直接关乎管道安全施工和运行，尤其是管道处于不均匀沉降、地震等不良条件下。研究土壤与管道的相互作用，提高求解计算的精度，对管道安全至关重要。
管土相互作用很复杂，利用解析方法求解管道的应力难度大，计算量大，利用有限元分析软件对管道的相互作用进行数值模拟，简化了计算，求解精度高。
ABAQUS在模拟管土相互作用时主要有以下几种方法：土弹簧法、PSI单元法、接触面法。
一、土弹簧法
土弹簧法将土壤离散成一个个按照一定间距分布的弹簧，通过弹簧的刚度系数反映土壤的本构关系，不需要建立土壤实体，只需要在管道周围设置弹簧即可。
1.土弹簧模型
二、PSI单元法
PSI单元法对于大多数静力和动力问题都能够解决，可以避免对管道区域周围的土体剖分单元，尤其当管道很长时，有点更加明显，既能保证管道本体对管道的作用，又大大减少单元的数量。但是，PSI单元只有位移自由度，主要施加位移载荷，如果不知道位移载荷，就不能采用这种方法。此外，这种方法不能查看管道截面云图。
三、接触面法
如果需要了解管道界面及其管道表面上的变形分布规律就必须要采用接触算法。接触面算法通过建管道和土壤的实体模型，然后定义接触对属性，最后在施加的载荷条件下完成计算。接触面之间的相互作用包括两个部分：接触面的法向作用和切向作用[5]。
1.法向模型
一般来说，两物体只有在压紧状态才传递法向压力，存在间隙时不传递法向压力，这种法向行为在ABAQUS中成为硬接触。
四、方法比选
1.计算精度
同一个物理模型，如果越接近实际情况，求解的精度越高，如果有限元模型越简化，忽略的因素越多，计算精度越低，误差越大。计算精度：接触面法>土弹簧法>PSI单元法。
2.计算时间
模型的大小和计算求解的方程数量决定了计算时间，对于同一个物理模型，按照时间排序为：接触面法>土弹簧法>PSI单元法。
3.收敛性
有限元模型的收敛程度很大程度上取决于建立模型的复杂性，收敛性从好到差依次排列分别为：PSI单元法>土弹簧法>接触面法。
这几种方法各有优劣，都可以在一定程度上很好地模拟管土作用，选用哪种方法计算，需要视管道长度，边界条件，计算精度以及是静力分析还是动态问题等情况而定。
五、结论
本文总结了运用有限元分析软件ABAQUS模拟管土作用的方法，建立了计算模型。目前看来，有限元分析管土作用是最有效的方法。未来的发展方向主要着重于模型参数取值研究，精细化建模。随着计算机运算速度的提升，接触面法会越来越多的替代土弹簧法。
参考文献
[1]油气输送管道线路工程抗震技术规范.GB 50470-2008.
[2] 袁秀霞，武宗良，侯庆志，韩爱红.土体特性对埋地管道的影响.人民黄河，2010，32（5）：103-105.
[3] 岳庆霞，吴华勇，李杰.管土动力相互作用分析.地震工程与工程振动，2007，27（3）：132-136.
[4]沈新普.ABAQUS在能源工程中的应用.机械工业出版社[M]，2010.
[5]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用.中国水利水电出版社[M]，2010，1.
作者简介：马超，男，生于1987年，湖北监利人，硕士研究生在读，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院油气储运工程专业，2012年作为入站研究生，在中国石油管道公司科技中心工作，从事管道地质灾害风险评价相关方面的研究。