基于ANSYS的波动有限元程序前处理

基于ANSYS的波动有限元程序前处理研究摘要：波动有限元能够真实反映地震动传播特性，因而逐渐成为地震工程和岩土工程重要的数值模拟方法之一，但现有波动有限元程序建模难度大，缺乏方便而快捷的前处理程序，使其在科研工作和实际工程中的应用受到了很大的限制。为此，提出了一套快速易学的前处理思路和方法，即以ANSYS有限元程序完成的复杂地质体网格划分为基础，采用VisualBasic语言编写了波动有限元程序的前处理数据转换程序和波动有限元程序控制性参数的可视化输入界面，使波动有限元程序前处理变得轻松自如，简单易用。经实例验证，该方法快速高效，对其它程序的前处理具有重要的借鉴意义。关键词：波动有限元；复杂模型；前处理程序；自动生成引言我国学者廖振鹏教授将时域集中质量有限单元法和人工透射边界结合起来给出一种波动问题的时域有限元解法[1，2]，其方法解波动过程最为直接，可以很好地模拟地震动的传播过程，因而逐渐受到了科研人员和工程人员的高度重视和广泛应用。同时该方法在实现的过程中采用了显式解法，降低了对计算机硬件的要求，因而受到大家的欢迎。杨柏坡主持编写的“二维显式有限元波动程序包LAND”于1992年通过部级鉴定，为科研和工程应用奠定了坚实的基础[3]，周正华[4]、李山有[5]等也对该程序的功能进行了扩展和改进。需要指出的是，原有的计算程序均采用FORTRAN77语言，数组采用固定数组，为了能够充分利用计算机内存，不得不结合解题规模进行编译，使用起来比较麻烦。为了能够使波动有限元程序自动结合解题规模充分利用内存，作者采用具有先进的FORTRAN95对上述程序进行了改造升级，采用了动态数组，使其能够高效利用计算机内存，避免了多次编译，同时将程序重新命名为WPA2D(2-DimensionWavePropagationAnalysis)，并重新编写两侧边界不等高的边界处理程序、增加了弹粘塑性分析、粘弹性非线性等功能，作者将另文介绍。尽管主分析程序的计算稳定性和功能已经达到了实用化程序，但现有程序在模型建立及数据准备等前处理问题上却存在以下不足，使其在科研工作和实际工程中的应用受到了很大的限制：（1）模型的建立只能靠数据文件来实现，不是很直观，不能像ANSYS或ALGOR等有限元软件，可以直接进行图形的处理；（2）对于比较复杂的工程模型，在建模时需要各控制点详细的数据，容易出错，检查起来也不是很容易；（3）建模工作量大，花费时间长，直接造成了模拟计算的周期长、难度大。为解决显式波动有限元程序建模的不足，杨柏坡等用Fortran语言编写了显式波动有限元的前处理程序[3]，对于水平成层的场地实现了快速、便捷的建模。吴兆营编写了基于ANSYS专门针对土石坝的前处理程序[6]，该程序只能针对两侧边界等高的情况，但是对于具有复杂的地质结构等地质体，其显式波动有限元模型的建立及网格划分仍然非常不便。然而，许多有限元程序对于复杂工程地质体数值模拟的建立有明显优势。由于研究对象的单元节点信息，与大型有限元软件完全一致，即将研究对象划分为具有一定形状且有一定编制规则的节点组成的单元面。因此，作者利用通用的建模与网格划分功能强大的ANSYS软件对复杂工程地质体建立相应数值模型（包括网格划分），再通过数据转换实现WPA2D前处理的自动生成。WPA2D程序的前处理目前，WPA2D只包含平面四节点四边形，对应于ANSYS有限元程序中的PLANE42单元类型，剖分时，直接选取该单元类型。根据波动分析要求，计算出单元所需的尺寸界限，以保证波动分析的有效性和稳定性，并完成复杂地质体的建模、网格划分。由于WPA2D的计算数据与ANSYS前处理所得到的数据存在一定的差异，因此，利用ANSYS所得的数据转换成WPA2D模型的思路和接口程序是本文建议建模方法的关键，实施原则是最大程度地发挥ANSYS数据的功效，尽量减少人工输入。其实施的具体步骤如下：ANSYS模型的建立、ANSYS和WPA2D的数据转换和波动控制性参数的输入。1.1ANSYS模型的建立ANSYS作为通用的有限元软件，充分综合了CAD，CAE，CAM等图象处理工具[7]，是建立复杂计算模型有效而又方便快捷的平台。ANSYS可以自上而下直接建立实体模型，还可通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而建立实体模型。强大的布尔运算工具可以实现实体之间加、减、分类、搭接、粘接和分割等复杂运算，大大提高了建立复杂地质体模型的效率。对于实体模型的网格剖分，ANSYS提供了功能强大的控制工具，如单元大小和形状的控制、网格的划分类型（自由和映射）以及网格的清除和细化；此外，还可对实体模型图直接划分网格；最后，输出各单元节点坐标及单元信息文件NLIST.LIS和ELIST.LIS。1.2WPA2D与ANSYS数据的关系要将ANSYS前处理所得的单元信息和节点信息准确转换为WPA2D所需的数据，必须分析两者之间的相同与不同之处。ANSYS前处理所得的节点信息包括节点编码和节点坐标，单元信息包括单元材料序号、单元类型、实常数、单元系统的坐标指针、剖面代号和单元节点编码[6]。除了单元类型、实常数、单元系统的坐标指针、剖面代号外，其它信息也是WPA2D所要求的数据。与ANSYS数据的差别还在于WPA2D将节点分为内节点和边界节点，且边界节点进一步细分为左边界节点、右边界节点和底边界节点，并且需要提供边界区节点编码及边界节点所处的层数（自底边界算起，底边界为1），边界节点处的人工波速，还有左右边界节点纵坐标信息（从小到大）及对应节点处的材料编码，供边界区自由场计算使用。仔细总结分析WPA2D所需数据的特点，发现有以下规律可以利用：①左、右边界节点横坐标为系统横坐标的最小值和最大值，底边界的纵坐标为系统纵坐标的最小值，可以充分利用该特点来判断节点类型和边界节点类型；②左右边界节点所在的层数与其纵坐标从小到大所对应的排列序号相同，可以根据纵坐标利用排序程序对左右边界节点来进行重新排序，从而获得侧边界节点所在的层数；③与普通有限元的区别在于，由于采用了透射边界，要求左右边界区至少有3到5个单元为规则网格，且单元的水平长度应该相等，底边界至少有3到5个单元为规则网格，且单元的竖向长度应该相等，根据以上两个特点，首先对底边界节点按横坐标从小到大进行重新排序，利用重新排序后的底边界相临两点的横坐标之差的绝对值给出左右侧边界区节点的水平间隔，同时利用左右边界相临两点纵坐标之差的绝对值给出底边界区的竖向间隔，利用该特点可以找出边界透射层的节点编码。关于左右边界节点处的材料编码的实现，首先规定左右边界节点处的材料编码（自底向上）代表该节点至上一节点间的材料号，除了底部、顶部脚点只包含于一个单元内（可判断最底部的节点处的材料号等于其所在单元的材料号），其它节点均包含于两个单元，因此节点材料数组必须要开一个临时的二维数组，为了暂时保存一个节点所在的两个单元的材料编码；根据已排序的边界节点，按单元循环，并将单元材料信息先赋予临时的二维数组，并判断每个节点临时两维数组与下部相临节点的材料号的异同，如果两者都相同，即可代表该节点出的材料号，否则不同者为节点处材料号。具体实现思路如下：从ANSYS导出输入单元节点信息和节点坐标信息，找出，，判断节点类型找出边界节点编码和边界节点类型，对左右边界节点按纵坐标从小到大进行排序和底边界节点按横坐标进行从小到大排序，重新对边界节点进行排序，并给出相临边界层编码及层数，同时找出左右边界节点处的材料号，输入材料强度参数和动力计算控制参数，依次求出边界节点的人工波速（如果节点上下两段的材料号不同时，取其剪切波速的平均值）。1.3波动有限元控制参数输入除了利用ANSYS转换的数据外，有些波动控制参数尚尚需人工输入，本文在设计程序界面时，进行提供交互式输入，减少人工劳动，其输入的参数见图1和图2。在上述基础上，采用VisualBasic语言编写了波动有限元程序的前处理数据转换和波动有限元程序控制性参数的可视化输入界面程序-PreWPA2D（图1和图2），并按照程序WPA2D的输入数据格式保存到相应的数据文件，完成波动有限元程序WPA2D前处理工作。图1波动控制性参数输入和转换程序界面应用实例本文选取一个比较复杂的且具有代表性的含软弱夹层的岩质边坡作为示例，其模型尺寸如图2所示。对于这样一个地表形态和地质结构复杂的边坡，采用本文提出的前处理方法很理想地建立其计算模型，具体操作如下：图2某边坡地质模型示意图（单位：m）（1）ANSYS网格剖分及数据输出。首先，找出边坡的几何控制点作为ANSYS文件的关键点输入，将其连线，生成实体模型，定义材料类型，选择PLANE42单元类型；然后根据波动计算要求控制单元尺寸，用MESHTOOL命令完成网格剖分，并用COMPRESSNUMBER命令使节点和单元编号达到最优，避免冗余，模型划分3578个四边形单元，3726个节点；最后用LIST命令栏中的NODES…和ELEMENTS命令输出节点信息文件NLIST.LIS和单元节点信息文件ELIST.LIS。（2）运行PreWPA2D。根据PreWPA2D提示信息，依次完成所有的选择和输入，并点击命令“开始转换”，程序自动完成前处理工作，完成后相应的命令栏会出现提示性信息“完成转换”，关闭该程序，即可运行程序WPA2D进行计算，生成的数值模型如图3所示。图3某边坡数值模型（单位：m）整个建模从数据采集到模型开始计算，共用时不到1个小时，目前这是其它方法无可比拟的。3结论本文提出了基于ANSYS平台复杂地质体波动有限元程序WPA2D数值模型的自动生成方法。该方法不仅克服了建立复杂计算模型的困难，而且实现了建模的自动化。其流程的每一个操作均简单、易行，所要求的基本数据仅为几何图形数据点，大大减少了建模所需的时间、精力，提高了数值模拟的频度，有利于充分发挥WPA2D解决科研和实际工程问题的强大功能，也有助于WPA2D在地震工程和岩土工程领域的普及和应用。该方法的主要思路着眼于发挥和结合WPA2D与ANSYS软件的优点，并开发了WPA-ANSYS接口程序PreWPA2D，解决了复杂工程地质体的建模难题。对于复杂工程地质问题的数值模拟，本文提出的方法值得借鉴。参考文献：[1]廖振鹏.工程波动理论导论[M].北京:科学出版社,2002.[2]杨柏坡,陈庆彬.显式有限元法在地震工程中的应用[J].世界地震工程,1992,8(4):31-40.[3]董莹.“二维显式有限元波动程序包”科技成果在哈尔滨通过部级鉴定[J].世界地震工程,1993,9(1):43.[4]周正华.地基土介质阻