[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

说明书

本发明提出了一种粘弹性人工动力边界下地震时程波的集成化添加方法，涉及自动化设计领域。包括以下步骤：(1)建立结构有限元基础模型；(2)计算粘弹性边界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；(3)在岩层边界离散节点集成化添加三向弹簧—阻尼器系统；(4)自动化计算岩层边界离散节点处地震力时程；(5)在岩层底边界节点自动输入地震力时程波；(6)对结构进行时间历程分析。本发明依托ANSYS软件APDL语言的程序编制功能，解决岩层边界上有巨量离散点时，节点粘弹性约束和力型地震时程波的集成化输入难题，可大大提高计算分析的效率。

方法领域

本发明属于自动化设计领域，具体涉及一种粘弹性边界下地震时程波的集成化添加方法。

背景方法

随着我国“西部大开发”、“西气东输”、“南水北调”等国家战略的实施，一大批隧道、管线、地下厂房等项目大力兴建。它们多穿越地质条件复杂的抗震设防区域，其抗震特性直接关系到人员生命和设施安全。

有限元时程分析法是分析此类结构地震响应问题的最有效方法。其基于结构和基岩的动力相互作用，在岩层的有限截断边界处添加人工边界，并施加地震时程波，以实现地震动荷载的导入。其中，用弹簧—阻尼器系统模拟的粘弹性人工边界因为同时考虑了弹簧刚度和阻尼系数，在精确反映基岩的弹性恢复能力和地震波的散射方面具有突出优越性能。该方法具体为在岩层截断边界的离散点上，添加三向弹簧—阻尼器元件，并输入考虑了地震速度和位移的节点力时程，以开展动力时程分析。

此类战略性工程项目的共同特点是线路长体量大，基岩离散点数量巨大。离散点处边界元件参数与各点附属面积、岩层性质等密切相关，各点异性，依靠手动方法添加边界约束和地震时程的耗时极长。目前，虽有文献对粘弹性边界和地震时程力的计算原理加以论述，但未有在有限元分析环境下，针对粘弹性边界下地震时程波的集成化添加操作方法的详细阐述。

发明内容

针对以上方法问题，本发明提供一种粘弹性边界下地震时程波的集成化添加方法，依托ANSYS软件APDL语言的程序编制功能,解决大体量结构有巨量边界离散点时，节点粘弹性约束和力型地震时程波的集成化输入难题。

本发明的方法方案为：一种粘弹性边界下地震时程波的集成化添加方法，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。

进一步地，S1中由结构及岩层特点，确定基本建模参数如单元类型、材料属性、实常数、单元网格形状及大小，建立结构实体有限元模型。

进一步地，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)