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：波动有限限元能够真实实反映地震动动传播特性，因因而逐渐成为为地震工程和和岩土工程重重要的数值模模拟方法之一一，但现有波波动有限元程程序建模难度度大，缺乏方方便而快捷的的前处理程序序，使其在科科研工作和实实际工程中的的应用受到了了很大的限制制。为此，提提出了一套快快速易学的前前处理思路和和方法，即以以ANSYS有限元程序序完成的复杂杂地质体网格格划分为基础础，采用VisuaalBassic语言编写了了波动有限元元程序的前处处理数据转换换程序和波动动有限元程序序控制性参数数的可视化输输入界面，使使波动有限元元程序前处理理变得轻松自自如，简单易易用。经实例例验证，该方方法快速高效效，对其它程程序的前处理理具有重要的的借鉴意义。关键词：波动动有限元；复杂模型；前处理程序序；自动生成成引言我国学者廖振鹏鹏教授将时域域集中质量有有限单元法和和人工透射边边界结合起来来给出一种波波动问题的时时域有限元解解法[1，2]，其方法解解波动过程最最为直接，可可以很好地模模拟地震动的的传播过程，因因而逐渐受到到了科研人员员和工程人员员的高度重视视和广泛应用用。同时该方方法在实现的的过程中采用用了显式解法法，降低了对对计算机硬件件的要求，因因而受到大家家的欢迎。杨杨柏坡主持编编写的“二维显式有有限元波动程程序包LAND”于1992年通过部级级鉴定，为科科研和工程应应用奠定了坚坚实的基础[[3]，周正正华[4]、李山山有[5]等也对对该程序的功功能进行了扩扩展和改进。需需要指出的是是，原有的计计算程序均采采用FORTRRAN77语言，数组组采用固定数数组，为了能能够充分利用用计算机内存存，不得不结结合解题规模模进行编译，使使用起来比较较麻烦。为了了能够使波动动有限元程序序自动结合解解题规模充分分利用内存，作作者采用具有有先进的FORTRRAN95对上述程序序进行了改造造升级，采用用了动态数组组，使其能够够高效利用计计算机内存，避避免了多次编编译，同时将将程序重新命命名为WPA2DD(2-DiimensiionWaavePrropagaationAnalyysis)，并重新编编写两侧边界界不等高的边边界处理程序序、增加了弹弹粘塑性分析析、粘弹性非非线性等功能能，作者将另另文介绍。尽尽管主分析程程序的计算稳稳定性和功能能已经达到了了实用化程序序，但现有程程序在模型建建立及数据准准备等前处理理问题上却存存在以下不足足，使其在科科研工作和实实际工程中的的应用受到了了很大的限制制：（1）模型的建建立只能靠数数据文件来实实现，不是很很直观，不能能像ANSYS或ALGOR等有限元软软件，可以直直接进行图形形的处理；（2）对于比较较复杂的工程程模型，在建建模时需要各各控制点详细细的数据，容容易出错，检检查起来也不不是很容易；；（3）建模工作作量大，花费费时间长，直直接造成了模模拟计算的周周期长、难度度大。为解决显式波动动有限元程序序建模的不足足，杨柏坡等等用Fortrran语言编写了了显式波动有有限元的前处处理程序[33]，对于水水平成层的场场地实现了快快速、便捷的的建模。吴兆兆营编写了基基于ANSYS专门针对土土石坝的前处处理程序[66]，该程序序只能针对两两侧边界等高高的情况，但但是对于具有有复杂的地质质结构等地质质体，其显式式波动有限元元模型的建立立及网格划分分仍然非常不不便。然而，许多有限限元程序对于于复杂工程地地质体数值模模拟的建立有有明显优势。由由于研究对象象的单元节点点信息，与大大型有限元软软件完全一致致，即将研究究对象划分为为具有一定形形状且有一定定编制规则的的节点组成的的单元面。因因此，作者利利用通用的建建模与网格划划分功能强大大的ANSYS软件对复杂杂工程地质体体建立相应数数值模型（包包括网格划分分），再通过过数据转换实实现WPA2D前处理的自自动生成。WPA2D程序序的前处理目前，WPA22D只包含平面面四节点四边边形，对应于于ANSYS有限元程序序中的PLANEE42单元类型，剖剖分时，直接接选取该单元元类型。根据据波动分析要要求，计算出出单元所需的的尺寸界限，以以保证波动分分析的有效性性和稳定性，并并完成复杂地地质体的建模模、网格划分分。由于WPA2D的计算数据据与ANSYS前处理所得得到的数据存存在一定的差差异，因此，利利用ANSYS所得的数据据转换成WPA2D模型的思路路和接口程序序是本文建议议建模方法的的关键，实施施原则是最大大程度地发挥挥ANSYS数据的功效效，尽量减少少人工输入。其其实施的具体体步骤如下：：ANSYS模型的建立立、ANSYS和WPA2D的数据转换换和波动控制制性参数的输输入。1.1ANSYYS模型的建立立ANSYS作为为通用的有限限元软件，充充分综合了CAD，CAE，CAM等图象处理理工具[7]]，是建立复复杂计算模型型有效而又方方便快捷的平平台。ANSYS可以自上而而下直接建立立实体模型，还还可通过自下下而上依次生生成点、线、面面和体，从而而建立实体模模型。强大的的布尔运算工工具可以实现现实体之间加加、减、分类类、搭接、粘粘接和分割等等复杂运算，大大大提高了建建立复杂地质质体模型的效效率。对于实实体模型的网网格剖分，ANSYS提供了功能能强大的控制制工具，如单单元大小和形形状的控制、网网格的划分类类型（自由和和映射）以及及网格的清除除和细化；此此外，还可对对实体模型图图直接划分网网格；最后，输输出各单元节节点坐标及单单元信息文件件NLISTT.LIS和ELISTT.LIS。1.2WPAA2D与ANSYS数据的关系系要将ANSYSS前处理所得得的单元信息息和节点信息息准确转换为为WPA2D所需的数据据，必须分析析两者之间的的相同与不同同之处。ANSYS前处理所得得的节点信息息包括节点编编码和节点坐坐标，单元信信息包括单元元材料序号、单单元类型、实实常数、单元元系统的坐标标指针、剖面面代号和单元元节点编码[[6]。除了了单元类型、实实常数、单元元系统的坐标标指针、剖面面代号外，其其它信息也是是WPA2D所要求的数数据。与ANSYS数据的差别别还在于WPA2D将节点分为为内节点和边边界节点，且且边界节点进进一步细分为为左边界节点点、右边界节节点和底边界界节点，并且且需要提供边边界区节点编编码及边界节节点所处的层层数（自底边边界算起，底底边界为1），边界节节点处的人工工波速，还有有左右边界节节点纵坐标信信息（从小到到大）及对应应节点处的材材料编码，供供边界区自由由场计算使用用。仔细总结结分析WPA2D所需数据的的特点，发现现有以下规律律可以利用：：①左、右边界界节点横坐标标为系统横坐坐标的最小值值和最大值，底底边界的纵坐坐标为系统纵纵坐标的最小小值，可以充充分利用该特特点来判断节节点类型和边边界节点类型型；②左右边界节节点所在的层层数与其纵坐坐标从小到大大所对应的排排列序号相同同，可以根据据纵坐标利用用排序程序对对左右边界节节点来进行重重新排序，从从而获得侧边边界节点所在在的层数；③与普通有限限元的区别在在于，由于采采用了透射边边界，要求左左右边界区至至少有3到5个单元为规规则网格，且且单元的水平平长度应该相相等，底边界界至少有3到5个单元为规规则网格，且且单元的竖向向长度应该相相等，根据以以上两个特点点，首先对底底边界节点按按横坐标从小小到大进行重重新排序，利利用重新排序序后的底边界界相临两点的的横坐标之差差的绝对值给给出左右侧边边界区节点的的水平间隔，同同时利用左右右边界相临两两点纵坐标之之差的绝对值值给出底边界界区的竖向间间隔，利用该该特点可以找找出边界透射射层的节点编编码。关于左左右边界节点点处的材料编编码的实现，首首先规定左右右边界节点处处的材料编码码（自底向上上）代表该节节点至上一节节点间的材料料号，除了底底部、顶部脚脚点只包含于于一个单元内内（可判断最最底部的节点点处的材料号号等于其所在在单元的材料料号），其它它节点均包含含于两个单元元，因此节点点材料数组必必须要开一个个临时的二维维数组，为了了暂时保存一一个节点所在在的两个单元元的材料编码码；根据已排排序的边界节节点，按单元元循环，并将将单元材料信信息先赋予临临时的二维数数组，并判断断每个节点临临时两维数组组与下部相临临节点的材料料号的异同，如如果两者都相相同，即可代代表该节点出出的材料号，否否则不同者为为节点处材料料号。具体实现思路如如下：从ANSYS导出输入单单元节点信息息和节点坐标标信息，找出出，，判断节点类类型找出边界界节点编码和和边界节点类类型，对左右右边界节点按按纵坐标从小小到大进行排排序和底边界界节点按横坐坐标进行从小小到大排序，重重新对边界节节点进行排序序，并给出相相临边界层编编码及层数，同同时找出左右右边界节点处处的材料号，输输入材料强度度参数和动力力计算控制参参数，依次求求出边界节点点的人工波速速（如果节点点上下两段的的材料号不同同时，取其剪剪切波速的平平均值）。1.3波动有有限元控制参参数输入除了利用ANSSYS转换的数据据外，有些波波动控制参数数尚尚需人工工输入，本文文在设计程序序界面时，进进行提供交互互式输入，减减少人工劳动动，其输入的的参数见图1和图2。在上述基础础上，采用VisuaalBassic语言编写了了波动有限元元程序的前处处理数据转换换和波动有限限元程序控制制性参数的可可视化输入界界面程序-PreWWPA2D（图1和图2），并按照照程序WPA2D的输入数据据格式保存到到相应的数据据文件，完成成波动有限元元程序WPA2D前处理工作。图1波动控制制性参数输入入和转换程序序界面应用实例本文选取一个比比较复杂的且且具有代表性性的含软弱夹夹层的岩质边边坡作为示例例，其模型尺尺寸如图2所示。对于于这样一个地地表形态和地地质结构复杂杂的边坡，采采用本文提出出的前处理方方法很理想地地建立其计算算模型，具体体操作如下：：图2某边坡地地质模型示意意图（单位：：m）（1）ANSYYS网格剖分及及数据输出。首首先，找出边边坡的几何控控制点作为ANSYS文件的关键键点输入，将将其连线，生生成实体模型型，定义材料料类型，选择择PLANEE42单元类型；；然后根据波波动计算要求求控制单元尺尺寸，用MESHTTOOL命令完成网网格剖分，并并用COMPRRESSNNUMBERR命令使节点点和单元编号号达到最优，避避免冗余，模模型划分35578个四边边形单元，33726个节节点；最后用用LIST命令栏中的NODESS…和ELEMEENTS命令输出节节点信息文件件NLISTT.LIS和单元节点点信息文件ELISTT.LIS。（2）运行PrreWPA22D。根据PreWPPA2D提示信息，依依次完成所有有的选择和输输入，并点击击命令“开始转换”，程序自动动完成前处理理工作，完成成后相应的命命令栏会出现现提示性信息息“完成转换”，关闭该程程序，即可运运行程序WPA2D进行计算，生生成的数值模模型如图3所示。图3某边坡数数值模型（单单位：m）整个建模从数据据采集到模型型开始计算，共共用时不到1个小时，目目前这是其它它方法无可比比拟的。3结论本文提出了基于于ANSYS平台复杂地地质体波动有有限元程序WPA2D数值模型的的自动生成方方法。该方法法不仅克服了了建立复杂计计算模型的困困难，而且实实现了建模的的自动化。其其流程的每一一个操作均简简单、易行，所所要求的基本本数据仅为几几何图形数据据点，大大减减少了建模所所需的时间、精精力，提高了了数值模拟的的频度，有利利于充分发挥挥WPA2D解决科研和和实际工程问问题的强大功功能，也有助助于WPA2D在地震工程程和岩土工程程领域的普及及和应用。该方法的主要思思路着眼于发发挥和结合WPA2D与ANSYS软件的优点点，并开发了了WPA-AANSYS接口程序PreWPPA2D，解决了复复杂工程地质质体的建模难难题。对于复复杂工程地质质问题的数值值模拟，本文文提出的方法法值得借鉴。参考文献：[1]廖振鹏..工程波动理理论导论[M].北京:科学出版社,20002.[2]杨柏坡坡,陈庆彬.显式有限元元法在地震工工程中的应用用[J].世界地震工工程,19992,8((4):331-40..[3]董莹..“二维显式有有限元波动程程序包”科技成果在在哈尔滨通过过部级鉴定[J].世界地震工工程,19993,9((1):443.[4]周正华