基于ANSYS的波動有限元程序前處理

基于ANSYS的波動有限元程序前處理研究摘要：波動有限元能夠真實反映地震動傳播特性，因而逐漸成為地震工程和巖土工程重要的數(shù)值模擬方法之一，但現(xiàn)有波動有限元程序建模難度大，缺乏方便而快捷的前處理程序，使其在科研工作和實際工程中的應(yīng)用受到了很大的限制。為此，提出了一套快速易學的前處理思路和方法，即以ANSYS有限元程序完成的復雜地質(zhì)體網(wǎng)格劃分為基礎(chǔ)，采用VisualBasic語言編寫了波動有限元程序的前處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序和波動有限元程序控制性參數(shù)的可視化輸入界面，使波動有限元程序前處理變得輕松自如，簡單易用。經(jīng)實例驗證，該方法快速高效，對其它程序的前處理具有重要的借鑒意義。關(guān)鍵詞：波動有限元；復雜模型；前處理程序；自動生成引言我國學者廖振鵬教授將時域集中質(zhì)量有限單元法和人工透射邊界結(jié)合起來給出一種波動問題的時域有限元解法[1，2]，其方法解波動過程最為直接，可以很好地模擬地震動的傳播過程，因而逐漸受到了科研人員和工程人員的高度重視和廣泛應(yīng)用。同時該方法在實現(xiàn)的過程中采用了顯式解法，降低了對計算機硬件的要求，因而受到大家的歡迎。楊柏坡主持編寫的“二維顯式有限元波動程序包LAND”于1992年通過部級鑒定，為科研和工程應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)[3]，周正華[4]、李山有[5]等也對該程序的功能進行了擴展和改進。需要指出的是，原有的計算程序均采用FORTRAN77語言，數(shù)組采用固定數(shù)組，為了能夠充分利用計算機內(nèi)存，不得不結(jié)合解題規(guī)模進行編譯，使用起來比較麻煩。為了能夠使波動有限元程序自動結(jié)合解題規(guī)模充分利用內(nèi)存，作者采用具有先進的FORTRAN95對上述程序進行了改造升級，采用了動態(tài)數(shù)組，使其能夠高效利用計算機內(nèi)存，避免了多次編譯，同時將程序重新命名為WPA2D(2-DimensionWavePropagationAnalysis)，并重新編寫兩側(cè)邊界不等高的邊界處理程序、增加了彈粘塑性分析、粘彈性非線性等功能，作者將另文介紹。盡管主分析程序的計算穩(wěn)定性和功能已經(jīng)達到了實用化程序，但現(xiàn)有程序在模型建立及數(shù)據(jù)準備等前處理問題上卻存在以下不足，使其在科研工作和實際工程中的應(yīng)用受到了很大的限制：（1）模型的建立只能靠數(shù)據(jù)文件來實現(xiàn)，不是很直觀，不能像ANSYS或ALGOR等有限元軟件，可以直接進行圖形的處理；（2）對于比較復雜的工程模型，在建模時需要各控制點詳細的數(shù)據(jù)，容易出錯，檢查起來也不是很容易；（3）建模工作量大，花費時間長，直接造成了模擬計算的周期長、難度大。為解決顯式波動有限元程序建模的不足，楊柏坡等用Fortran語言編寫了顯式波動有限元的前處理程序[3]，對于水平成層的場地實現(xiàn)了快速、便捷的建模。吳兆營編寫了基于ANSYS專門針對土石壩的前處理程序[6]，該程序只能針對兩側(cè)邊界等高的情況，但是對于具有復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)等地質(zhì)體，其顯式波動有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分仍然非常不便。然而，許多有限元程序?qū)τ趶碗s工程地質(zhì)體數(shù)值模擬的建立有明顯優(yōu)勢。由于研究對象的單元節(jié)點信息，與大型有限元軟件完全一致，即將研究對象劃分為具有一定形狀且有一定編制規(guī)則的節(jié)點組成的單元面。因此，作者利用通用的建模與網(wǎng)格劃分功能強大的ANSYS軟件對復雜工程地質(zhì)體建立相應(yīng)數(shù)值模型（包括網(wǎng)格劃分），再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)WPA2D前處理的自動生成。WPA2D程序的前處理目前，WPA2D只包含平面四節(jié)點四邊形，對應(yīng)于ANSYS有限元程序中的PLANE42單元類型，剖分時，直接選取該單元類型。根據(jù)波動分析要求，計算出單元所需的尺寸界限，以保證波動分析的有效性和穩(wěn)定性，并完成復雜地質(zhì)體的建模、網(wǎng)格劃分。由于WPA2D的計算數(shù)據(jù)與ANSYS前處理所得到的數(shù)據(jù)存在一定的差異，因此，利用ANSYS所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WPA2D模型的思路和接口程序是本文建議建模方法的關(guān)鍵，實施原則是最大程度地發(fā)揮ANSYS數(shù)據(jù)的功效，盡量減少人工輸入。其實施的具體步驟如下：ANSYS模型的建立、ANSYS和WPA2D的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和波動控制性參數(shù)的輸入。1.1ANSYS模型的建立ANSYS作為通用的有限元軟件，充分綜合了CAD，CAE，CAM等圖象處理工具[7]，是建立復雜計算模型有效而又方便快捷的平臺。ANSYS可以自上而下直接建立實體模型，還可通過自下而上依次生成點、線、面和體，從而建立實體模型。強大的布爾運算工具可以實現(xiàn)實體之間加、減、分類、搭接、粘接和分割等復雜運算，大大提高了建立復雜地質(zhì)體模型的效率。對于實體模型的網(wǎng)格剖分，ANSYS提供了功能強大的控制工具，如單元大小和形狀的控制、網(wǎng)格的劃分類型（自由和映射）以及網(wǎng)格的清除和細化；此外，還可對實體模型圖直接劃分網(wǎng)格；最后，輸出各單元節(jié)點坐標及單元信息文件NLIST.LIS和ELIST.LIS。1.2WPA2D與ANSYS數(shù)據(jù)的關(guān)系要將ANSYS前處理所得的單元信息和節(jié)點信息準確轉(zhuǎn)換為WPA2D所需的數(shù)據(jù)，必須分析兩者之間的相同與不同之處。ANSYS前處理所得的節(jié)點信息包括節(jié)點編碼和節(jié)點坐標，單元信息包括單元材料序號、單元類型、實常數(shù)、單元系統(tǒng)的坐標指針、剖面代號和單元節(jié)點編碼[6]。除了單元類型、實常數(shù)、單元系統(tǒng)的坐標指針、剖面代號外，其它信息也是WPA2D所要求的數(shù)據(jù)。與ANSYS數(shù)據(jù)的差別還在于WPA2D將節(jié)點分為內(nèi)節(jié)點和邊界節(jié)點，且邊界節(jié)點進一步細分為左邊界節(jié)點、右邊界節(jié)點和底邊界節(jié)點，并且需要提供邊界區(qū)節(jié)點編碼及邊界節(jié)點所處的層數(shù)（自底邊界算起，底邊界為1），邊界節(jié)點處的人工波速，還有左右邊界節(jié)點縱坐標信息（從小到大）及對應(yīng)節(jié)點處的材料編碼，供邊界區(qū)自由場計算使用。仔細總結(jié)分析WPA2D所需數(shù)據(jù)的特點，發(fā)現(xiàn)有以下規(guī)律可以利用：①左、右邊界節(jié)點橫坐標為系統(tǒng)橫坐標的最小值和最大值，底邊界的縱坐標為系統(tǒng)縱坐標的最小值，可以充分利用該特點來判斷節(jié)點類型和邊界節(jié)點類型；②左右邊界節(jié)點所在的層數(shù)與其縱坐標從小到大所對應(yīng)的排列序號相同，可以根據(jù)縱坐標利用排序程序?qū)ψ笥疫吔绻?jié)點來進行重新排序，從而獲得側(cè)邊界節(jié)點所在的層數(shù)；③與普通有限元的區(qū)別在于，由于采用了透射邊界，要求左右邊界區(qū)至少有3到5個單元為規(guī)則網(wǎng)格，且單元的水平長度應(yīng)該相等，底邊界至少有3到5個單元為規(guī)則網(wǎng)格，且單元的豎向長度應(yīng)該相等，根據(jù)以上兩個特點，首先對底邊界節(jié)點按橫坐標從小到大進行重新排序，利用重新排序后的底邊界相臨兩點的橫坐標之差的絕對值給出左右側(cè)邊界區(qū)節(jié)點的水平間隔，同時利用左右邊界相臨兩點縱坐標之差的絕對值給出底邊界區(qū)的豎向間隔，利用該特點可以找出邊界透射層的節(jié)點編碼。關(guān)于左右邊界節(jié)點處的材料編碼的實現(xiàn)，首先規(guī)定左右邊界節(jié)點處的材料編碼（自底向上）代表該節(jié)點至上一節(jié)點間的材料號，除了底部、頂部腳點只包含于一個單元內(nèi)（可判斷最底部的節(jié)點處的材料號等于其所在單元的材料號），其它節(jié)點均包含于兩個單元，因此節(jié)點材料數(shù)組必須要開一個臨時的二維數(shù)組，為了暫時保存一個節(jié)點所在的兩個單元的材料編碼；根據(jù)已排序的邊界節(jié)點，按單元循環(huán)，并將單元材料信息先賦予臨時的二維數(shù)組，并判斷每個節(jié)點臨時兩維數(shù)組與下部相臨節(jié)點的材料號的異同，如果兩者都相同，即可代表該節(jié)點出的材料號，否則不同者為節(jié)點處材料號。具體實現(xiàn)思路如下：從ANSYS導出輸入單元節(jié)點信息和節(jié)點坐標信息，找出，，判斷節(jié)點類型找出邊界節(jié)點編碼和邊界節(jié)點類型，對左右邊界節(jié)點按縱坐標從小到大進行排序和底邊界節(jié)點按橫坐標進行從小到大排序，重新對邊界節(jié)點進行排序，并給出相臨邊界層編碼及層數(shù)，同時找出左右邊界節(jié)點處的材料號，輸入材料強度參數(shù)和動力計算控制參數(shù)，依次求出邊界節(jié)點的人工波速（如果節(jié)點上下兩段的材料號不同時，取其剪切波速的平均值）。1.3波動有限元控制參數(shù)輸入除了利用ANSYS轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)外，有些波動控制參數(shù)尚尚需人工輸入，本文在設(shè)計程序界面時，進行提供交互式輸入，減少人工勞動，其輸入的參數(shù)見圖1和圖2。在上述基礎(chǔ)上，采用VisualBasic語言編寫了波動有限元程序的前處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和波動有限元程序控制性參數(shù)的可視化輸入界面程序-PreWPA2D（圖1和圖2），并按照程序WPA2D的輸入數(shù)據(jù)格式保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，完成波動有限元程序WPA2D前處理工作。片圖翠1王波動控制性參糊數(shù)輸入和哪轉(zhuǎn)換程序界面應(yīng)用實例覺本文碗選取一個每比較復雜的且支具有塞代表性的含軟蠅弱夾層的巖質(zhì)配邊坡作為享示例，其模型望尺寸如邁圖帶2種所示刺。零對于這樣一個閘地表形態(tài)和地觀質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜的岸邊坡，采用本制文提出的前處摔理方法很理想邀地建立其計算維模型，具體操棟作如下：精圖庭2礎(chǔ)版某邊坡地質(zhì)模曠型示意圖（單洋位雅：制m間）嚴（粘1?。┚諥NSY甜S拾網(wǎng)格剖分及數(shù)攻據(jù)輸出。首先影，找出邊坡的低幾何控制點作傲為想ANSY束S線文件的關(guān)鍵點摟輸入，將其連當線，生成實體丘模型，定義材鄙料類型，選蝴擇容PLANE4家2姜單元類型；然皮后根據(jù)波動計參算要求控制單瞧元尺寸，熱用虹MESHTO稱O技L影命令完成網(wǎng)格稅剖分，并霜用糾COMPRE掩SSNUM狗BE設(shè)R臭命令使節(jié)點和泳單元編號達到河最優(yōu)，避免冗非余剩，模型尊劃分臺3578焰?zhèn)€四邊形單元執(zhí)，犧3726思個節(jié)點榨；最后名用掠LIS顫T玉命令欄中絡(luò)的鮮NODES甜…偏和隸ELEMEN呢T金S距命令輸出節(jié)點書信息文財件今NLIST.可LI他S滴和單元節(jié)點信是息文犁件壟ELIST.撞LI羨S由。壞（懇2氏）運候行金PreWPA緣2翁D導。根簡據(jù)萌PreWPA之2飲D堪提示信息，依爺次完成所有的瓣選擇和輸入，露并點擊命晝令眾“利開始轉(zhuǎn)擠換篇”建，程序自動完蝦成前處理工作者，完成后相應(yīng)洽的命令欄會出飽現(xiàn)提示性信吃息爺“套完成轉(zhuǎn)袋換械”艙，關(guān)閉該程序慎，即可運行程持序給WPA2啞D仁進行計算，生崗成的數(shù)值模型恐如等圖比3其所示。識圖兇3幟扁某邊坡數(shù)值模考型（單位勵：直m覆）仁整個建模從數(shù)匙據(jù)采集到模型淚開始計算，共勇用時不根到牧1智個小時，傭目前濤這是趨其它方法無可拐比擬的。3結(jié)論很本文提出了基糊于銅ANSY母S翁平臺復雜地質(zhì)野體波動有限元攏程艇序許WPA2D川數(shù)值模型的自遭動生成方法。器該方法不僅克良服了建立復雜化計算模型的困善難，而且實現(xiàn)北了建模的自動始化。其流程的販每一個操作均脈簡單、易行，指所要求的基本歇數(shù)據(jù)僅為幾何蕉圖形數(shù)據(jù)點，癥大大減少了建與模所需的時間倉、精力，提高飛了數(shù)值模擬的加頻度，有利于薪充分發(fā)違揮短WPA2角D蔑解決丸科研和實際譯工程問題的強突大功能，也底有助于濕WPA下2D犧在頌地震工程和娛巖土工程領(lǐng)域忽的普及和應(yīng)用思。涂該方法的主要周思路借著身眼于籍發(fā)揮和結(jié)手合丈WPA皇2D捕與屠ANSY挽S曠軟件的優(yōu)點，式并開發(fā)蘆了跡WPA-AN剃SY炊S票接口程序固PreWPA惱2D顯，解決了復雜郊工程地質(zhì)體的曉建模難題。對故于復雜工程地質(zhì)質(zhì)問題的數(shù)值填模擬，本文提純出的方法值得魔借鑒。參考文獻：錢[拋1筍]謎廖振鵬捕.組虹工程波動理論鏡導繁論燙[M].達跳北挑京懇:證裹科學出版社兔,沿2002.部[另2癢]爐始楊柏吸坡?lián)?漸撫陳慶惰彬皮.搬腸顯式有限元法攀在地震工程中下的應(yīng)凈用踩[J].突受世界地震工程索,1992失,8(4)際:31-4容0.城[猶3構(gòu)]脅董巾瑩釋.班“叨二維顯式有限影元波動程序包悄”敬科技成果在哈屆爾濱通過部級吹鑒遮定死[J].床暈世界地震工程兵,1993厘,9(1)斥:43.驗[4]嫩場周正擴華爆.宴地基土介質(zhì)阻挽尼和輻射阻尼盟的數(shù)值模擬傲[D].池錢哈爾待濱掘:坐成中國地震局工歇程力學研究帽所碎,2000鍵.及[5]厚貪李