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)有限元能夠真實(shí)反映地震動(dòng)傳播特性，因而逐漸成為地震工程和巖土工程重要的數(shù)值模擬方法之一，但現(xiàn)有波動(dòng)有限元程序建模難度大，缺乏方便而快捷的前處理程序，使其在科研工作和實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了很大的限制。為此，提出了一套快速易學(xué)的前處理思路和方法，即以ANSYS有限元程序完成的復(fù)雜地質(zhì)體網(wǎng)格劃分為基礎(chǔ)，采用VisualBasic語言編寫了波動(dòng)有限元程序的前處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序和波動(dòng)有限元程序控制性參數(shù)的可視化輸入界面，使波動(dòng)有限元程序前處理變得輕松自如，簡單易用。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，該方法快速高效，對其它程序的前處理具有重要的借鑒意義。關(guān)鍵詞：波動(dòng)有限元；復(fù)雜模型；前處理程序；自動(dòng)生成引言我國學(xué)者廖振鵬教授將時(shí)域集中質(zhì)量有限單元法和人工透射邊界結(jié)合起來給出一種波動(dòng)問題的時(shí)域有限元解法[1，2]，其方法解波動(dòng)過程最為直接，可以很好地模擬地震動(dòng)的傳播過程，因而逐漸受到了科研人員和工程人員的高度重視和廣泛應(yīng)用。同時(shí)該方法在實(shí)現(xiàn)的過程中采用了顯式解法，降低了對計(jì)算機(jī)硬件的要求，因而受到大家的歡迎。楊柏坡主持編寫的“二維顯式有限元波動(dòng)程序包LAND”于1992年通過部級鑒定，為科研和工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]，周正華[4]、李山有[5]等也對該程序的功能進(jìn)行了擴(kuò)展和改進(jìn)。需要指出的是，原有的計(jì)算程序均采用FORTRAN77語言，數(shù)組采用固定數(shù)組，為了能夠充分利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存，不得不結(jié)合解題規(guī)模進(jìn)行編譯，使用起來比較麻煩。為了能夠使波動(dòng)有限元程序自動(dòng)結(jié)合解題規(guī)模充分利用內(nèi)存，作者采用具有先進(jìn)的FORTRAN95對上述程序進(jìn)行了改造升級，采用了動(dòng)態(tài)數(shù)組，使其能夠高效利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存，避免了多次編譯，同時(shí)將程序重新命名為WPA2D(2-DimensionWavePropagationAnalysis)，并重新編寫兩側(cè)邊界不等高的邊界處理程序、增加了彈粘塑性分析、粘彈性非線性等功能，作者將另文介紹。盡管主分析程序的計(jì)算穩(wěn)定性和功能已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化程序，但現(xiàn)有程序在模型建立及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等前處理問題上卻存在以下不足，使其在科研工作和實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了很大的限制：（1）模型的建立只能靠數(shù)據(jù)文件來實(shí)現(xiàn)，不是很直觀，不能像ANSYS或ALGOR等有限元軟件，可以直接進(jìn)行圖形的處理；（2）對于比較復(fù)雜的工程模型，在建模時(shí)需要各控制點(diǎn)詳細(xì)的數(shù)據(jù)，容易出錯(cuò)，檢查起來也不是很容易；溫（聞3蘿）許建墓模爬工搬作音量私大服，限花性費(fèi)步時(shí)貞間滲長很，愿直傾接藝造巨成持了報(bào)模佛擬閉計(jì)穩(wěn)算記的辦周刃期縱長訂、廢難鐵度睡大證。鐵為稀解暈決債顯漁式浩波花動(dòng)利有剪限蹄元甘程席序披建鋤模通的篩不堡足退，懷楊化柏握坡班等黎用伏F凡o括r到t薄r硬a壺n蟻語堂言蓋編揚(yáng)寫濾了溜顯增式俗波肥動(dòng)曲有物限個(gè)元己的棕前殺處閣理輔程紅序插[蘆3刑]餃，淺對報(bào)于障水膽平鏟成屋層矛的百場遺地頓實(shí)近現(xiàn)彈了績快醫(yī)速伐、尤便久捷掙的僅建歉模示。梢吳余兆域營布編陷寫略了亞基恐于嗎A盞N方S林Y殲S漏專漠門丟針璃對轟土鞭石幫壩茶的竄前衰處萌理付程柿序跪[濤6況]虜，杰該忘程榮序密只奮能掃針予對襯兩以側(cè)室邊險(xiǎn)界校等離高蘇的影情粥況拋，召但剩是勁對羅于棵具拌有魚復(fù)集雜什的忽地獸質(zhì)牲結(jié)痕構(gòu)吩等堵地仰質(zhì)殖體踐，個(gè)其決顯柱式方波唱?jiǎng)油嵊袆h限西元攏模裝型肝的錫建廳立終及荷網(wǎng)訪格共劃蘋分撓仍師然灰非究常漿不找便盲。識然首而限，毛許犬多嶄有淚限黃元束程斯序?yàn)ψＳ诩膹?fù)巖雜呆工歐程清地洋質(zhì)透體扒數(shù)油值黑模天擬揪的密建世立招有貧明豪顯壞優(yōu)供勢笨。麻由清于錯(cuò)研毅究贈(zèng)對折象歐的姜單詞元溉節(jié)奔點(diǎn)慣信監(jiān)息材，倉與遼大帖型悔有趨限體元戒軟底件華完冰全復(fù)一卷致利，偵即麗將眼研前究莫對前象權(quán)劃葡分蜓為啞具錢有丈一獅定暑形脾狀砍且載有燃一亮定旨編勺制挺規(guī)耕則代的欄節(jié)悲點(diǎn)源組謙成獄的竊單具元損面辨。臉因至此輪，騎作沾者拌利岔用揪通呈用牲的通建荒模絲與結(jié)網(wǎng)休格方劃纏分懸功灑能世強(qiáng)斧大避的餃A校N輕S辣Y辟S遇軟濫件豐對究復(fù)帆雜隊(duì)工鞏程節(jié)地飄質(zhì)路體例建飲立怨相根應(yīng)怒數(shù)翻值蝶模嶼型盈（變包票括梳網(wǎng)混格濁劃渡分律）餓，汁再景通瓜過劫數(shù)頁據(jù)排轉(zhuǎn)慨換搞實(shí)招現(xiàn)更W革P猾A個(gè)2貿(mào)D兵前鼓處踐理撓的室自內(nèi)動(dòng)堂生賤成葵。裝W虹P雕A棉2衡D領(lǐng)程架序毀的種前請?zhí)幷Q理館目梅前氏，遣W傷P劑A油2未D墓只證包執(zhí)含對平粘面言四煎節(jié)慌點(diǎn)勞四偏邊冒形差，枯對晶應(yīng)供于存A仁N斯S很Y渾S患有捕限危元防程冊序銷中校的英P博L吐A雜N引E艱4船2像單腔元阿類瀉型楚，喬剖辛分壁時(shí)鎖，槽直梁接姻選校取抹該太單傍元無類茄型藥。惰根硬據(jù)梁波幼動(dòng)降分送析哭要駛求慶，循計(jì)水算屑出抖單且元仇所召需刻的飄尺幻寸必界稻限僑，保以規(guī)保完證艙波躬?jiǎng)友胤峙霆M的唇有決效謙性冷和脈穩(wěn)款定士性扭，利并眨完燕成對復(fù)浸雜嘩地鞏質(zhì)盯體版的亦建蹲模枝、津網(wǎng)泡格紅劃慶分庸。頃由娃于慚W棗P排A魔2捐D誦的渴計(jì)際算伐數(shù)聚據(jù)頓與私A水N某S漆Y詠S余前沙處梅理銜所勾得正到逢的勁數(shù)健據(jù)澡存素在奇一醬定臥的隆差照異塔，喂因巷此傷，借利蓋用私A稀N爬S洗Y宅S盟所描得蛛的鏡數(shù)溪據(jù)錦轉(zhuǎn)張換語成精W造P皮A味2婦D追模即型望的糞思咐路扯和溉接軟口硬程系序心是么本到文街建案議程建抖模妨方滋法淚的返關(guān)夸鍵錢，呼實(shí)筐施穩(wěn)原壘則獵是勒最神大則程臘度篩地蛛發(fā)糕揮這A陡N思S母Y貢S察數(shù)枯據(jù)個(gè)的溝功件效確，蠻盡撓量互減楊少響人維工漆輸眾入三。哪其莫實(shí)懷施納的界具參體葛步鋪驟景如耕下抓：喝A冰N伶S梅Y從S瞇模去型攪的恐建余立俱、江A燭N考S炊Y穗S勝和重W廁P籠A仆2筆D邀的呈數(shù)鏡據(jù)桌轉(zhuǎn)并換污和糠波跡動(dòng)銜控脂制冒性鵝參墻數(shù)蘇的駕輸舉入猜。仔1茶.爺1和A生N濤S渠Y刪S辰模董型退的查建落立文A涉N巴S逗Y胳S均作蠻為肥通奧用龍的尺有盯限鉛元忍軟動(dòng)件頃，談充難分投綜披合洋了伏C票A底D恭，妹C倒A怒E華，算C數(shù)A除M撥等乖圖最象弊處茶理窯工潑具豆[豈7電]富，瀉是尊建喘立丑復(fù)趣雜篇計(jì)消算屆模隸型朱有狗效危而絮又捐方獅便雨快仇捷南的膨平豎臺寬?？華像N斤S祥Y帳S號可三以瓜自冬上侄而偶下蛇直小接狂建嫁立裳實(shí)臨體石模洗型留，樣還徑可城通侍過水自倉下寸而茶上疏依獨(dú)次缺生督成雅點(diǎn)隔、掩線旋、船面首和叉體倆，弟從個(gè)而幅建顧立綠實(shí)遠(yuǎn)體糧模恐型篇。守強(qiáng)險(xiǎn)大末的登布伶爾食運(yùn)似算途工越具盡可猶以耽實(shí)弟現(xiàn)半實(shí)溜體糊之咬間歌加滾、緞減輸、司分夫類成、爸搭痰接瓜、襖粘撲接軌和杠分拖割真等族復(fù)鞋雜澤運(yùn)恐算尚，略大惜大剃提鐵高濕了屋建乓立嗓復(fù)交雜半地轉(zhuǎn)質(zhì)宵體濱?？嫘凸サ膬?yōu)效盛率軌。膝對站于觀實(shí)額體禿模梳型楊的晃網(wǎng)漁格艱剖柏分耐，馳A聽N脆S肺Y昂S絲提乞供起了串功螺能蔥強(qiáng)格大榆的軟控盯制局工著具贊，惕如仁單觀元遷大窄小巡和蓋形撲狀碰的恢控劉制田、津網(wǎng)熄格面的仍劃荒分翅類箱型站（房自顏由奸和灘映證射爹）嫂以嫩及水網(wǎng)鞏格求的怖清堆除閑和知細(xì)蜻化膽；悄此割外夏，太還斯可叫對麥實(shí)啞體穿模透型愛圖首直濾接眨劃趴分梨網(wǎng)居格伸；母最篇后唯，策輸泉出喊各趁單遍元醋節(jié)液點(diǎn)消坐般標(biāo)網(wǎng)及艷單蹦元翠信舞息正文難件末N預(yù)L兄I華S秩T訓(xùn).機(jī)L瓶I唱S蛾和卡E糕L打I紗S奏T裹.慕L帶I桐S殿。希喂1漢.只2鹿己W臘P祖A捷2嶄D駝與殼A膠N坡S沾Y看S貸數(shù)類據(jù)晌的刊關(guān)賭系要將ANSYS前處理所得的單元信息和節(jié)點(diǎn)信息準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為WPA2D所需的數(shù)據(jù)，必須分析兩者之間的相同與不同之處。ANSYS前處理所得的節(jié)點(diǎn)信息包括節(jié)點(diǎn)編碼和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，單元信息包括單元材料序號、單元類型、實(shí)常數(shù)、單元系統(tǒng)的坐標(biāo)指針、剖面代號和單元節(jié)點(diǎn)編碼[6]。除了單元類型、實(shí)常數(shù)、單元系統(tǒng)的坐標(biāo)指針、剖面代號外，其它信息也是WPA2D所要求的數(shù)據(jù)。與ANSYS數(shù)據(jù)的差別還在于WPA2D將節(jié)點(diǎn)分為內(nèi)節(jié)點(diǎn)和邊界節(jié)點(diǎn)，且邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)分為左邊界節(jié)點(diǎn)、右邊界節(jié)點(diǎn)和底邊界節(jié)點(diǎn)，并且需要提供邊界區(qū)節(jié)點(diǎn)編碼及邊界節(jié)點(diǎn)所處的層數(shù)（自底邊界算起，底邊界為1），邊界節(jié)點(diǎn)處的人工波速，還有左右盛邊譽(yù)界取節(jié)亡點(diǎn)等縱苦坐路標(biāo)厲信禾息嫁（折從偏小塞到酸大悲）昆及知對像應(yīng)仗節(jié)臟點(diǎn)慶處摔的梁材滴料船編壘碼驗(yàn)，剝供太邊賤界泊區(qū)創(chuàng)自頌由啞場竟計(jì)廢算線使限用罰。御仔酸細(xì)更總恢結(jié)及分震析功W解P態(tài)A柏2橋D共所篩需畏數(shù)腰據(jù)覆的玻特張點(diǎn)頸，垮發(fā)君現(xiàn)回有喇以雞下拿規(guī)酷律創(chuàng)可殖以喊利佛用聽：慢①秋左雀、班右親邊眾界肯節(jié)欠點(diǎn)爽橫仿坐攤標(biāo)善為輕系枝統(tǒng)奴橫幸坐棗標(biāo)誠的免最虧小兼值季和需最忙大肢值城，沫底微邊允界消的桿縱悼坐名標(biāo)舞為酸系來統(tǒng)至縱集坐驅(qū)標(biāo)伴的封最鞋小再值呼，骨可渾以醫(yī)充鏟分將利磨用臘該豐特誤點(diǎn)持來多判幕斷麻節(jié)裙點(diǎn)乳類羨型駐和殖邊蠢界普節(jié)閣點(diǎn)碼類圖型睜；公②脆左妖右向邊型界傍節(jié)城點(diǎn)釋所克在海的牙層揭數(shù)肚與惰其繼縱隊(duì)坐響標(biāo)謀從瓜小舉到胸大毅所碌對擠應(yīng)壁的液排號列嗓序煮號詠相義同度，忍可盆以費(fèi)根迅據(jù)氣縱妨坐斯標(biāo)唐利凝用鑄排蠻序暈程懷序制對撿左彎右調(diào)邊揪界軍節(jié)津點(diǎn)蒸來弱進(jìn)壞行黨重臘新奔排削序拒，柿從詢而爹獲心得我側(cè)拖邊達(dá)界強(qiáng)節(jié)尚點(diǎn)頃所尊在陶的究層題數(shù)找；窗③素與菜普暫通胡有囑限室元即的放區(qū)襯別鄰在愉于括，賢由謹(jǐn)于憲采霧用辨了扒透頓射農(nóng)邊粉界飽，災(zāi)要葉求循左派右心邊遵界傘區(qū)鉛至鋤少襲有臺3泰到盾5購個(gè)批單草元應(yīng)為斗規(guī)租則條網(wǎng)巷格誦，鄭且蝶單徑元沸的責(zé)水虧平忘長鳥度浮應(yīng)其該沾相節(jié)等尺，大底群邊還界致至摧少陵有碌3堡到連5券個(gè)癢單責(zé)元蒜為督規(guī)住則行網(wǎng)吩格帝，六且厘單叔元兄的領(lǐng)豎摟向浩長罪度裙應(yīng)貴該徐相慢等度，君根奧據(jù)志以央上甜兩擠個(gè)阻特而點(diǎn)招，摘首滿先賤對授底朱邊示界盡節(jié)謙點(diǎn)頸按船橫轎坐隙標(biāo)眼從微小這到丘大倘進(jìn)掏行滔重今新露排棒序笛，彩利另用舅重彼新六排笨序天后遙的謙底刮邊隆界虎相膠臨旨兩態(tài)點(diǎn)柳的姥橫穩(wěn)坐裙標(biāo)何之畫差襪的喚絕州對防值系給蛙出盜左析右?guī)Z側(cè)盾邊叼界徹區(qū)炮節(jié)悔點(diǎn)匹的敵水倚平扣間掘隔習(xí)，示同作時(shí)帶利腥用失左盈右像邊果界井相風(fēng)臨既兩叼點(diǎn)乏縱圍坐念標(biāo)圣之促差嚷的各絕炊對仆值霉給寧出懲底燭邊挎界忙區(qū)勸的盛豎雖向啊間昨隔魄，妨利核用丹該償特授點(diǎn)孫可巷以買找葬出快邊釘界拘透康射懸層敏的售節(jié)獵點(diǎn)仔編抖碼桌。筍關(guān)拉于煙左縱右爺邊撿界灶節(jié)山點(diǎn)白處在的紋材陳料愚編街碼宿的篇實(shí)穴現(xiàn)屢，唇首拋先搜規(guī)馬定制左啊右寶邊糠界把節(jié)鴿點(diǎn)盡處年的湖材悲料縫編軟碼滲（孔自退底喬向艷上飯）宗代抖表殼該當(dāng)節(jié)新點(diǎn)談至玩上靠一線節(jié)境點(diǎn)暖間絞的矮材臣料趣號敗，貪除防了殘底廊部瑞、盛頂蘆部武腳言點(diǎn)壽只嘴包池含蔥于羊一跨個(gè)磨單沿元冒內(nèi)到（做可念判惕斷帽最錘底鴿部東的孟節(jié)承點(diǎn)皆處記的籍材錦料洲號首等吳于承其匠所醒在悼單堪元漏的鉆材韻料副號孩）毛，貝其搬它槍節(jié)刺點(diǎn)弱均錘包么含哈于觸兩爹個(gè)徒單暈元距，晃因殘此兆節(jié)嗽點(diǎn)肌材塞料送數(shù)卻組筋必升須找要拖開申一昌個(gè)巖臨好時(shí)凍的質(zhì)二限維咬數(shù)織組預(yù)，腹為殊了昏暫序時(shí)粱保泊存維一礦個(gè)棄節(jié)癥點(diǎn)標(biāo)所為在討的芝兩邁個(gè)稠單角元地的貝材削料銅編深碼饅；餡根震據(jù)棍已詳排曠序束的纏邊傭界心節(jié)繩點(diǎn)晚，顧按紗單鎖元拴循尤環(huán)給，桶并首將惠單當(dāng)元勾材日料此信森息墊先貿(mào)賦汽予職臨覺時(shí)迅的乳二罰維粱數(shù)孫組悉，裹并懂判柿斷齡每扔個(gè)棋節(jié)膽點(diǎn)丘臨郵時(shí)撇兩校維底數(shù)結(jié)組筑與換下襪部樂相村臨濕節(jié)鼻點(diǎn)驗(yàn)的笛材魚料睜號寫的籃異斤同泰，瑞如瞞果很兩新者買都下相裕同死，帖即徒可刃代衡表辨該鏟節(jié)攤點(diǎn)旬出歲的倘材身料減號它，從否構(gòu)則燥不喊同刻者夠?yàn)槲展?jié)讓點(diǎn)舒處重材嘆料頸號鋼。具體實(shí)現(xiàn)思路如下：從ANSYS導(dǎo)出輸入單元節(jié)點(diǎn)信息和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，找出，，判斷節(jié)點(diǎn)類型找出邊界節(jié)點(diǎn)編碼和邊界節(jié)點(diǎn)類型，對左右邊界節(jié)點(diǎn)按縱坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序和底邊界節(jié)點(diǎn)按橫坐標(biāo)進(jìn)行從小到大排序，重新對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，并給出相臨邊界層編碼及層數(shù)，同時(shí)找出左右邊界節(jié)點(diǎn)處的材料號，輸入材料強(qiáng)度參數(shù)和動(dòng)力計(jì)算控制參數(shù)，依次求出邊界節(jié)點(diǎn)的人工波速（如果節(jié)點(diǎn)上下兩段的材料號不同時(shí)，取其剪切波速的平均值）。1.3波動(dòng)有限元控制參數(shù)輸入除了利用ANSYS轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)外，有些波動(dòng)控制參數(shù)尚尚需人工輸入，本文在設(shè)計(jì)程序界面時(shí)，進(jìn)行提供交互式輸入，減少人工勞動(dòng)，其輸入的參數(shù)見圖1和圖2。在上述基礎(chǔ)上，采用VisualBasic語言編寫了波動(dòng)有限元程序的前處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和波動(dòng)有限元程序控制性參數(shù)的可視化輸入界面程序-PreWPA2D（圖1和圖2），并按照程序WPA2D的輸入數(shù)據(jù)格式保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，完成波動(dòng)有限元程序WPA2D前處理工作。圖1波動(dòng)控制性參數(shù)輸入和轉(zhuǎn)換程序界面應(yīng)用實(shí)例本文選取一個(gè)比較復(fù)雜的且具有代表性的含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡作為示例，其模型尺寸如圖2所示。對于這樣一個(gè)地表形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的邊坡，采用本文提出的前處理方法很理想地建立其計(jì)算模型，具體操作如下：圖2某邊坡地質(zhì)模型示意圖（單位：m）（1）ANSYS網(wǎng)格剖分及數(shù)據(jù)輸出。首先，找出邊坡的幾何控制點(diǎn)作為ANSYS文件的關(guān)鍵點(diǎn)輸入，將其連線，生成實(shí)體模型，定義材料類型，選擇PLANE42單元類型；然后根據(jù)波動(dòng)計(jì)算要求控制單元尺寸，用MESHTOOL命令完成網(wǎng)格剖分，并用COMPRESSNUMBER命令使節(jié)點(diǎn)和單元編號達(dá)到最優(yōu)，避免冗余，模型劃分3578個(gè)四邊形單元，3726個(gè)節(jié)點(diǎn)；最后用LIST命令欄中的NODES…和ELEMENTS命令輸出節(jié)點(diǎn)信息文件NLIST.LIS和單元節(jié)點(diǎn)信息文件ELIST.LIS。（2）運(yùn)行PreWPA2D。根據(jù)PreWPA2D提示信息，依次完成所有的選擇和輸入，并點(diǎn)擊命令“開始轉(zhuǎn)換”，程序自動(dòng)完成前處理工作，完成后相應(yīng)的命令欄會(huì)出現(xiàn)提示性信息“完成轉(zhuǎn)換”，關(guān)閉該程序，即可運(yùn)行程序WPA2D進(jìn)行計(jì)算，生成的數(shù)值模型如圖3所示。圖3某邊坡數(shù)值模型（單位：m）整個(gè)建模從數(shù)據(jù)采集到模型開始計(jì)算，共用時(shí)不到1個(gè)小時(shí)，目前這是其它方法無可比擬的。3結(jié)論本文提出了基于ANSYS平臺復(fù)雜地質(zhì)體波動(dòng)有限元程序WPA2D數(shù)值模型的自動(dòng)生成方法。該方法不僅克服了建立復(fù)雜計(jì)算模型的困難，而且實(shí)現(xiàn)了建模的自動(dòng)化。