基于ANSYS的波動(dòng)有限元程序前處理

基于ANSYS的波動(dòng)有限元程序前處理研究摘要：波動(dòng)有限限元能夠真實(shí)實(shí)反映地震動(dòng)動(dòng)傳播特性，因因而逐漸成為為地震工程和和巖土工程重重要的數(shù)值模模擬方法之一一，但現(xiàn)有波波動(dòng)有限元程程序建模難度度大，缺乏方方便而快捷的的前處理程序序，使其在科科研工作和實(shí)實(shí)際工程中的的應(yīng)用受到了了很大的限制制。為此，提提出了一套快快速易學(xué)的前前處理思路和和方法，即以以ANSYS有限元程序序完成的復(fù)雜雜地質(zhì)體網(wǎng)格格劃分為基礎(chǔ)礎(chǔ)，采用VisuaalBassic語(yǔ)言編寫(xiě)了了波動(dòng)有限元元程序的前處處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換程序和波動(dòng)動(dòng)有限元程序序控制性參數(shù)數(shù)的可視化輸輸入界面，使使波動(dòng)有限元元程序前處理理變得輕松自自如，簡(jiǎn)單易易用。經(jīng)實(shí)例例驗(yàn)證，該方方法快速高效效，對(duì)其它程程序的前處理理具有重要的的借鑒意義。關(guān)鍵詞：波動(dòng)動(dòng)有限元；復(fù)雜模型；前處理程序序；自動(dòng)生成成引言我國(guó)學(xué)者廖振鵬鵬教授將時(shí)域域集中質(zhì)量有有限單元法和和人工透射邊邊界結(jié)合起來(lái)來(lái)給出一種波波動(dòng)問(wèn)題的時(shí)時(shí)域有限元解解法[1，2]，其方法解解波動(dòng)過(guò)程最最為直接，可可以很好地模模擬地震動(dòng)的的傳播過(guò)程，因因而逐漸受到到了科研人員員和工程人員員的高度重視視和廣泛應(yīng)用用。同時(shí)該方方法在實(shí)現(xiàn)的的過(guò)程中采用用了顯式解法法，降低了對(duì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件件的要求，因因而受到大家家的歡迎。楊楊柏坡主持編編寫(xiě)的“二維顯式有有限元波動(dòng)程程序包LAND”于1992年通過(guò)部級(jí)級(jí)鑒定，為科科研和工程應(yīng)應(yīng)用奠定了堅(jiān)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[[3]，周正正華[4]、李山山有[5]等也對(duì)對(duì)該程序的功功能進(jìn)行了擴(kuò)擴(kuò)展和改進(jìn)。需需要指出的是是，原有的計(jì)計(jì)算程序均采采用FORTRRAN77語(yǔ)言，數(shù)組組采用固定數(shù)數(shù)組，為了能能夠充分利用用計(jì)算機(jī)內(nèi)存存，不得不結(jié)結(jié)合解題規(guī)模模進(jìn)行編譯，使使用起來(lái)比較較麻煩。為了了能夠使波動(dòng)動(dòng)有限元程序序自動(dòng)結(jié)合解解題規(guī)模充分分利用內(nèi)存，作作者采用具有有先進(jìn)的FORTRRAN95對(duì)上述程序序進(jìn)行了改造造升級(jí)，采用用了動(dòng)態(tài)數(shù)組組，使其能夠夠高效利用計(jì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存，避避免了多次編編譯，同時(shí)將將程序重新命命名為WPA2DD(2-DiimensiionWaavePrropagaationAnalyysis)，并重新編編寫(xiě)兩側(cè)邊界界不等高的邊邊界處理程序序、增加了彈彈粘塑性分析析、粘彈性非非線性等功能能，作者將另另文介紹。盡盡管主分析程程序的計(jì)算穩(wěn)穩(wěn)定性和功能能已經(jīng)達(dá)到了了實(shí)用化程序序，但現(xiàn)有程程序在模型建建立及數(shù)據(jù)準(zhǔn)準(zhǔn)備等前處理理問(wèn)題上卻存存在以下不足足，使其在科科研工作和實(shí)實(shí)際工程中的的應(yīng)用受到了了很大的限制制：（1）模型的建建立只能靠數(shù)數(shù)據(jù)文件來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)，不是很很直觀，不能能像ANSYS或ALGOR等有限元軟軟件，可以直直接進(jìn)行圖形形的處理；（2）對(duì)于比較較復(fù)雜的工程程模型，在建建模時(shí)需要各各控制點(diǎn)詳細(xì)細(xì)的數(shù)據(jù)，容容易出錯(cuò)，檢檢查起來(lái)也不不是很容易；；（3）建模工作作量大，花費(fèi)費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，直直接造成了模模擬計(jì)算的周周期長(zhǎng)、難度度大。為解決顯式波動(dòng)動(dòng)有限元程序序建模的不足足，楊柏坡等等用Fortrran語(yǔ)言編寫(xiě)了了顯式波動(dòng)有有限元的前處處理程序[33]，對(duì)于水水平成層的場(chǎng)場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)了快快速、便捷的的建模。吳兆兆營(yíng)編寫(xiě)了基基于ANSYS專(zhuān)門(mén)針對(duì)土土石壩的前處處理程序[66]，該程序序只能針對(duì)兩兩側(cè)邊界等高高的情況，但但是對(duì)于具有有復(fù)雜的地質(zhì)質(zhì)結(jié)構(gòu)等地質(zhì)質(zhì)體，其顯式式波動(dòng)有限元元模型的建立立及網(wǎng)格劃分分仍然非常不不便。然而，許多有限限元程序?qū)τ谟趶?fù)雜工程地地質(zhì)體數(shù)值模模擬的建立有有明顯優(yōu)勢(shì)。由由于研究對(duì)象象的單元節(jié)點(diǎn)點(diǎn)信息，與大大型有限元軟軟件完全一致致，即將研究究對(duì)象劃分為為具有一定形形狀且有一定定編制規(guī)則的的節(jié)點(diǎn)組成的的單元面。因因此，作者利利用通用的建建模與網(wǎng)格劃劃分功能強(qiáng)大大的ANSYS軟件對(duì)復(fù)雜雜工程地質(zhì)體體建立相應(yīng)數(shù)數(shù)值模型（包包括網(wǎng)格劃分分），再通過(guò)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)實(shí)現(xiàn)WPA2D前處理的自自動(dòng)生成。WPA2D程序序的前處理目前，WPA22D只包含平面面四節(jié)點(diǎn)四邊邊形，對(duì)應(yīng)于于ANSYS有限元程序序中的PLANEE42單元類(lèi)型，剖剖分時(shí)，直接接選取該單元元類(lèi)型。根據(jù)據(jù)波動(dòng)分析要要求，計(jì)算出出單元所需的的尺寸界限，以以保證波動(dòng)分分析的有效性性和穩(wěn)定性，并并完成復(fù)雜地地質(zhì)體的建模模、網(wǎng)格劃分分。由于WPA2D的計(jì)算數(shù)據(jù)據(jù)與ANSYS前處理所得得到的數(shù)據(jù)存存在一定的差差異，因此，利利用ANSYS所得的數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WPA2D模型的思路路和接口程序序是本文建議議建模方法的的關(guān)鍵，實(shí)施施原則是最大大程度地發(fā)揮揮ANSYS數(shù)據(jù)的功效效，盡量減少少人工輸入。其其實(shí)施的具體體步驟如下：：ANSYS模型的建立立、ANSYS和WPA2D的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換和波動(dòng)控制制性參數(shù)的輸輸入。1.1ANSYYS模型的建立立ANSYS作為為通用的有限限元軟件，充充分綜合了CAD，CAE，CAM等圖象處理理工具[7]]，是建立復(fù)復(fù)雜計(jì)算模型型有效而又方方便快捷的平平臺(tái)。ANSYS可以自上而而下直接建立立實(shí)體模型，還還可通過(guò)自下下而上依次生生成點(diǎn)、線、面面和體，從而而建立實(shí)體模模型。強(qiáng)大的的布爾運(yùn)算工工具可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)體之間加加、減、分類(lèi)類(lèi)、搭接、粘粘接和分割等等復(fù)雜運(yùn)算，大大大提高了建建立復(fù)雜地質(zhì)質(zhì)體模型的效效率。對(duì)于實(shí)實(shí)體模型的網(wǎng)網(wǎng)格剖分，ANSYS提供了功能能強(qiáng)大的控制制工具，如單單元大小和形形狀的控制、網(wǎng)網(wǎng)格的劃分類(lèi)類(lèi)型（自由和和映射）以及及網(wǎng)格的清除除和細(xì)化；此此外，還可對(duì)對(duì)實(shí)體模型圖圖直接劃分網(wǎng)網(wǎng)格；最后，輸輸出各單元節(jié)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單單元信息文件件NLISTT.LIS和ELISTT.LIS。1.2WPAA2D與ANSYS數(shù)據(jù)的關(guān)系系要將ANSYSS前處理所得得的單元信息息和節(jié)點(diǎn)信息息準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為為WPA2D所需的數(shù)據(jù)據(jù)，必須分析析兩者之間的的相同與不同同之處。ANSYS前處理所得得的節(jié)點(diǎn)信息息包括節(jié)點(diǎn)編編碼和節(jié)點(diǎn)坐坐標(biāo)，單元信信息包括單元元材料序號(hào)、單單元類(lèi)型、實(shí)實(shí)常數(shù)、單元元系統(tǒng)的坐標(biāo)標(biāo)指針、剖面面代號(hào)和單元元節(jié)點(diǎn)編碼[[6]。除了了單元類(lèi)型、實(shí)實(shí)常數(shù)、單元元系統(tǒng)的坐標(biāo)標(biāo)指針、剖面面代號(hào)外，其其它信息也是是WPA2D所要求的數(shù)數(shù)據(jù)。與ANSYS數(shù)據(jù)的差別別還在于WPA2D將節(jié)點(diǎn)分為為內(nèi)節(jié)點(diǎn)和邊邊界節(jié)點(diǎn)，且且邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)進(jìn)一步細(xì)分為為左邊界節(jié)點(diǎn)點(diǎn)、右邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)和底邊界界節(jié)點(diǎn)，并且且需要提供邊邊界區(qū)節(jié)點(diǎn)編編碼及邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)所處的層層數(shù)（自底邊邊界算起，底底邊界為1），邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)處的人工工波速，還有有左右邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)信信息（從小到到大）及對(duì)應(yīng)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的材材料編碼，供供邊界區(qū)自由由場(chǎng)計(jì)算使用用。仔細(xì)總結(jié)結(jié)分析WPA2D所需數(shù)據(jù)的的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有以下規(guī)律律可以利用：：①左、右邊界界節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)標(biāo)為系統(tǒng)橫坐坐標(biāo)的最小值值和最大值，底底邊界的縱坐坐標(biāo)為系統(tǒng)縱縱坐標(biāo)的最小小值，可以充充分利用該特特點(diǎn)來(lái)判斷節(jié)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和邊邊界節(jié)點(diǎn)類(lèi)型型；②左右邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)所在的層層數(shù)與其縱坐坐標(biāo)從小到大大所對(duì)應(yīng)的排排列序號(hào)相同同，可以根據(jù)據(jù)縱坐標(biāo)利用用排序程序?qū)?duì)左右邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行重重新排序，從從而獲得側(cè)邊邊界節(jié)點(diǎn)所在在的層數(shù)；③與普通有限限元的區(qū)別在在于，由于采采用了透射邊邊界，要求左左右邊界區(qū)至至少有3到5個(gè)單元為規(guī)規(guī)則網(wǎng)格，且且單元的水平平長(zhǎng)度應(yīng)該相相等，底邊界界至少有3到5個(gè)單元為規(guī)規(guī)則網(wǎng)格，且且單元的豎向向長(zhǎng)度應(yīng)該相相等，根據(jù)以以上兩個(gè)特點(diǎn)點(diǎn)，首先對(duì)底底邊界節(jié)點(diǎn)按按橫坐標(biāo)從小小到大進(jìn)行重重新排序，利利用重新排序序后的底邊界界相臨兩點(diǎn)的的橫坐標(biāo)之差差的絕對(duì)值給給出左右側(cè)邊邊界區(qū)節(jié)點(diǎn)的的水平間隔，同同時(shí)利用左右右邊界相臨兩兩點(diǎn)縱坐標(biāo)之之差的絕對(duì)值值給出底邊界界區(qū)的豎向間間隔，利用該該特點(diǎn)可以找找出邊界透射射層的節(jié)點(diǎn)編編碼。關(guān)于左左右邊界節(jié)點(diǎn)點(diǎn)處的材料編編碼的實(shí)現(xiàn)，首首先規(guī)定左右右邊界節(jié)點(diǎn)處處的材料編碼碼（自底向上上）代表該節(jié)節(jié)點(diǎn)至上一節(jié)節(jié)點(diǎn)間的材料料號(hào)，除了底底部、頂部腳腳點(diǎn)只包含于于一個(gè)單元內(nèi)內(nèi)（可判斷最最底部的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)處的材料號(hào)號(hào)等于其所在在單元的材料料號(hào)），其它它節(jié)點(diǎn)均包含含于兩個(gè)單元元，因此節(jié)點(diǎn)點(diǎn)材料數(shù)組必必須要開(kāi)一個(gè)個(gè)臨時(shí)的二維維數(shù)組，為了了暫時(shí)保存一一個(gè)節(jié)點(diǎn)所在在的兩個(gè)單元元的材料編碼碼；根據(jù)已排排序的邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)，按單元元循環(huán)，并將將單元材料信信息先賦予臨臨時(shí)的二維數(shù)數(shù)組，并判斷斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)臨臨時(shí)兩維數(shù)組組與下部相臨臨節(jié)點(diǎn)的材料料號(hào)的異同，如如果兩者都相相同，即可代代表該節(jié)點(diǎn)出出的材料號(hào)，否否則不同者為為節(jié)點(diǎn)處材料料號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)思路如如下：從ANSYS導(dǎo)出輸入單單元節(jié)點(diǎn)信息息和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)信息，找出出，，判斷節(jié)點(diǎn)類(lèi)類(lèi)型找出邊界界節(jié)點(diǎn)編碼和和邊界節(jié)點(diǎn)類(lèi)類(lèi)型，對(duì)左右右邊界節(jié)點(diǎn)按按縱坐標(biāo)從小小到大進(jìn)行排排序和底邊界界節(jié)點(diǎn)按橫坐坐標(biāo)進(jìn)行從小小到大排序，重重新對(duì)邊界節(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序序，并給出相相臨邊界層編編碼及層數(shù)，同同時(shí)找出左右右邊界節(jié)點(diǎn)處處的材料號(hào)，輸輸入材料強(qiáng)度度參數(shù)和動(dòng)力力計(jì)算控制參參數(shù)，依次求求出邊界節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的人工波速速（如果節(jié)點(diǎn)點(diǎn)上下兩段的的材料號(hào)不同同時(shí)，取其剪剪切波速的平平均值）。1.3波動(dòng)有有限元控制參參數(shù)輸入除了利用ANSSYS轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)據(jù)外，有些波波動(dòng)控制參數(shù)數(shù)尚尚需人工工輸入，本文文在設(shè)計(jì)程序序界面時(shí)，進(jìn)進(jìn)行提供交互互式輸入，減減少人工勞動(dòng)動(dòng)，其輸入的的參數(shù)見(jiàn)圖1和圖2。在上述基礎(chǔ)礎(chǔ)上，采用VisuaalBassic語(yǔ)言編寫(xiě)了了波動(dòng)有限元元程序的前處處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換和波動(dòng)有限限元程序控制制性參數(shù)的可可視化輸入界界面程序-PreWWPA2D（圖1和圖2），并按照照程序WPA2D的輸入數(shù)據(jù)據(jù)格式保存到到相應(yīng)的數(shù)據(jù)據(jù)文件，完成成波動(dòng)有限元元程序WPA2D前處理工作。圖1波動(dòng)控制制性參數(shù)輸入入和轉(zhuǎn)換程序序界面應(yīng)用實(shí)例本文選取一個(gè)比比較復(fù)雜的且且具有代表性性的含軟弱夾夾層的巖質(zhì)邊邊坡作為示例例，其模型尺尺寸如圖2所示。對(duì)于于這樣一個(gè)地地表形態(tài)和地地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜的邊坡，采采用本文提出出的前處理方方法很理想地地建立其計(jì)算算模型，具體體操作如下：：圖2某邊坡地地質(zhì)模型示意意圖（單位：：m）（1）ANSYYS網(wǎng)格剖分及及數(shù)據(jù)輸出。首首先，找出邊邊坡的幾何控控制點(diǎn)作為ANSYS文件的關(guān)鍵鍵點(diǎn)輸入，將將其連線，生生成實(shí)體模型型，定義材料料類(lèi)型，選擇擇PLANEE42單元類(lèi)型；；然后根據(jù)波波動(dòng)計(jì)算要求求控制單元尺尺寸，用MESHTTOOL命令完成網(wǎng)網(wǎng)格剖分，并并用COMPRRESSNNUMBERR命令使節(jié)點(diǎn)點(diǎn)和單元編號(hào)號(hào)達(dá)到最優(yōu)，避避免冗余，模模型劃分35578個(gè)四邊邊形單元，33726個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)；最后用用LIST命令欄中的NODESS…和ELEMEENTS命令輸出節(jié)節(jié)點(diǎn)信息文件件NLISTT.LIS和單元節(jié)點(diǎn)點(diǎn)信息文件ELISTT.LIS。（2）運(yùn)行PrreWPA22D。根據(jù)PreWPPA2D提示信息，依依次完成所有有的選擇和輸輸入，并點(diǎn)擊擊命令“開(kāi)始轉(zhuǎn)換”，程序自動(dòng)動(dòng)完成前處理理工作，完成成后相應(yīng)的命命令欄會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)提示性信息息“完成轉(zhuǎn)換”，關(guān)閉該程程序，即可運(yùn)運(yùn)行程序WPA2D進(jìn)行計(jì)算，生生成的數(shù)值模模型如圖3所示。圖3某邊坡數(shù)數(shù)值模型（單單位：m）整個(gè)建模從數(shù)據(jù)據(jù)采集到模型型開(kāi)始計(jì)算，共共用時(shí)不到1個(gè)小時(shí)，目目前這是其它它方法無(wú)可比比擬的。3結(jié)論本文提出了基于于ANSYS平臺(tái)復(fù)雜地地質(zhì)體波動(dòng)有有限元程序WPA2D數(shù)值模型的的自動(dòng)生成方方法。該方法法不僅克服了了建立復(fù)雜計(jì)計(jì)算模型的困困難，而且實(shí)實(shí)現(xiàn)了建模的的自動(dòng)化。其其流程的每一一個(gè)操作均簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、易行，所所要求的基本本數(shù)據(jù)僅為幾幾何圖形數(shù)據(jù)據(jù)點(diǎn)，大大減減少了建模所所需的時(shí)間、精精力，提高了了數(shù)值模擬的的頻度，有利利于充分發(fā)揮揮WPA2D解決科研和和實(shí)際工程問(wèn)問(wèn)題的強(qiáng)大功功能，也有助助于WPA2D在地震工程程和巖土工程程領(lǐng)域的普及及和應(yīng)用。該方法的主要思思路著眼于發(fā)發(fā)揮和結(jié)合WPA2D與ANSYS軟件的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，并開(kāi)發(fā)了了WPA-AANSYS接口程序PreWPPA2D，解決了復(fù)復(fù)雜工程地質(zhì)質(zhì)體的建模難難題。對(duì)于復(fù)復(fù)雜工程地質(zhì)質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值值模擬，本文文提出的方法法值得借鑒。參考文獻(xiàn)：[1]廖振鵬..工程波動(dòng)理理論導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,20002.[2]楊柏坡坡,陳慶彬.顯式有限元元法在地震工工程中的應(yīng)用用[J].世界地震工工程,19992,8((4):331-40..[3]董瑩..“二維顯式有有限元波動(dòng)程程序包”科技成果在在哈爾濱通過(guò)過(guò)部級(jí)鑒定[J].世界地震工工程,19993,9((1):443.[4]周正華