[发明专利]一种粘弹性边界下地震时程波的集成化添加方法

权利要求书

1.一种粘弹性边界下地震时程波的集成化添加方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所分析结构及围岩的尺寸及材性的特点，建立有限元实体结构模型；

S2：明确需要施加粘弹性约束的围岩界面，根据分层围岩的材料特性，计算层属范围内粘弹性边界元中弹簧的法向和切向弹簧刚度，阻尼器的法向和切向阻尼系数；

S3：加载基于APDL语言的自编程序，在岩层边界各离散点逐个自动化施加三向弹簧—阻尼器系统；

S4：加载基于APDL语言的自编程序，计算在三向地震动下，围岩底边界离散点处以地震速度和位移时程及粘弹性边界参数决定的节点地震力时程；

S5：加载基于APDL语言的自编程序，在岩层底边界各离散点自动化输入节点地震力时程波；

S6：采用ANSYS瞬态动力分析法对结构进行时间历程分析；

S2中确定围岩底面及四周为施加粘弹性约束的界面，粘弹性约束离散为在每个边界节点上施加一个三维弹簧—阻尼器系统，根据围岩的材料特性，利用excel的自动计算功能，确定各分层围岩人工边界节点处弹簧—阻尼器系统的物理元件参数：

C_N＝(αM+βN)ρc_p，C_T＝(αM+βN)ρc_s (2)

式(1)-(6)中，K_N、K_T为节点法向和切向弹簧刚度；C_N、C_T为节点法向和切向阻尼系数；A为节点的有效面积；G为介质剪切模量；E为基岩弹模；μ为泊松比；R为波源至人工边界点的距离；ρ为基岩质量密度；c_p、c_s为基岩的P波和S波波速；M为基岩的质量矩阵；N为基岩的刚度矩阵；α为正交因子1；β为正交因子2；ξ为基岩的阻尼比；ω为基岩的固有频率；λ为拉梅第一参数；γ为拉梅第二参数；

S3中基于APDL语言的自编程序，自动添加岩层粘弹性边界元的步骤如下：

(1)针对围岩某侧界面内第i岩层，使用APDL语言参数化输入其K_Ni、C_Ni、K_Ti、C_Ti；

(2)选中第i岩层的全部节点，并定义其节点总数为mnumber；对其中第m₀个节点，由nx、ny、nz命令求解其三向坐标，并存入(x，y，z)数组；

(3)由arnode命令求解m₀节点的附属面积A，并与K_Ni、C_Ni、K_Ti、C_Ti相乘，得到m₀节点附属范围内的粘弹性边界物理元件参数K_mNi、C_mNi、K_mTi、C_mTi；

(4)根据m₀点坐标，在围岩面的外法向且距离第m₀节点单位长度处生成新节点m₁，在m₀和m₁之间建立法向combin14单元，并赋予其K_mNi和C_mNi的实常数，对m₁节点施固定约束，建立法向弹簧—阻尼器单元；

(5)同样方法，在围岩面的两正交切向且距离m₀节点单位长度处分别生成新节点m₂和m₃，在m₀和m₂以及m₀和m₃之间建立两向combin14单元，并赋予其K_mTi和C_mTi的实常数，对m₂和m₃节点施固定约束，建立两正交切向弹簧—阻尼器单元；

(6)从节点1到mnumber实施do循环，按照(2)-(5)流程实现i岩层段内所有节点三向弹簧—阻尼器单元的添加；

(7)从层1到层i实施do循环，按照(1)-(6)流程实现该侧界面上所有节点三向弹簧—阻尼器单元的添加；

(8)依次选择围岩底边界及各侧面边界，实现对所有边界所含节点的三向弹簧—阻尼器单元的添加，至此完成围岩粘弹性边界的集成化添加；

S4中按照地震波由围岩底边界垂直入射的假定，由解析法计算该边界l节点的各向等效地震荷载：

P波入射方程：

S波入射方程：

式(7)-(8)中，和为入射波作用下在人工边界l节点处沿x向和y向的等效地震荷载，其下标代表分量方向，上标代表底部人工边界面的外法线方向；U_p(t-Δt)和为该点的地震波位移时程和速度时程；其中，Δt为行波延迟，式(7)中的式(8)中的d为节点到有限元体底面的距离；

S5中进行有限元瞬态分析设置，确定收敛条件，分析子步，阻尼比；

基于APDL语言的自编程序，在岩层底边界各离散点自动化输入节点地震力时程波的步骤如下：

(1)选中底边界全部节点，其节点总数为nbottom；

(2)在某时间步下，从节点1到nbottom实施do循环，将S4中求解的该时间步下的l节点各向作用力和以命令F依次加载；

(3)依次，从时间步1到step实施do循环，实现全部时间步内底边界三向节点力的加载。