Comparison of the Implicit and Explicit Finite Element Methods in Abaqus based on Penetration of Cylindrical Objects into Seabed

Sujan Dutta

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: INFRASTRUCTURE - IV Pipelines & Tunnels

ABSTRACT: Finite element methods (FEM) are widely used to solve many complex geotechnical engineering problems. Generally, the implicit FEM are used to analyze small-strain problems. However, for large-deformation problems, mesh distortion and convergence are the major numerical issues if one considers small-strain finite element (FE) modeling techniques. In order to overcome these numerical issues, several FE modeling techniques have been developed in recent years, such as Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE), Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain (RITSS), Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) techniques. Among them, ALE and CEL techniques are available in the commercially available software package Abaqus. Each of these techniques has a number of advantages and limitations. In this study, the performance of four FEM (pure implicit, pure explicit, ALE and CEL) and a finite volume method (FVM) available in ANSYS CFX for geotechnical applications is investigated by simulating the penetration of a cylindrical object into the soft clay seabed. Analyses are conducted for undrained loading conditions. Good agreement is found among the FE and FV approaches for shallow pipe penetration depths. However, at large penetration depths, CEL gives lower resistance than the other FEM and also shows a good agreement between previous studies and CFX analysis. The pure implicit, pure explicit and ALE approaches cannot simulate extremely large-deformation problems.

RÉSUMÉ: méthodes d'éléments finis (FEM) sont largement utilisés pour résoudre de nombreux problèmes d'ingénierie géotechnique complexes. En général, le FEM implicite sont utilisés pour analyser les problèmes de petite déformation. Cependant, pour des problèmes de grande déformation, distorsion du maillage et de convergence sont les principaux enjeux numériques si l'on considère la petite déformation éléments finis (FE) des techniques de modélisation. Afin de surmonter ces problèmes numériques, plusieurs techniques de modélisation FE ont été développés au cours des dernières années, comme arbitraire Lagrangian Eulerian (ALE), Remaillage et interpolation Technique avec Small Strain (RITSS), Eulerian lagrangiennes (CEL) techniques couplées. Parmi eux, les techniques ALE et CEL sont disponibles dans le package de logiciels disponibles dans le commerce Abaqus. Chacune de ces techniques comporte un certain nombre d'avantages et de limitations. Dans cette étude, la performance de quatre FEM (pur implicite, pur explicite, ALE et CEL) et une méthode de volumes finis (FVM) disponible dans ANSYS CFX pour les applications géotechniques est étudiée en simulant la pénétration d'un objet cylindrique dans le fond marin de l'argile molle . Les analyses sont effectuées pour les conditions de chargement non drainées. Un bon accord est trouvé parmi les FE et FV approches pour peu profondes profondeurs de pénétration du tuyau. Cependant, à de grandes profondeurs de pénétration, CEL offre une résistance plus faible que l'autre FEM et montre également une bonne concordance entre les études antérieures et l'analyse CFX. Les approches explicites et implicites ALE pures pures ne peuvent simuler extrêmement problèmes de grande déformation.

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