基于ANSYS的波動有限元程序前處理研究摘要：波動有限限元能夠真實實反映地震動動傳播特性，因因而逐漸成為為地震工程和和巖土工程重重要的數值模模擬方法之一一，但現有波波動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實際工程中的的應用受到了了很大的限制制。為此，提提出了一套快快速易學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雜雜地質體網格格劃分為基礎礎，采用VisuaalBassic語言編寫了了波動有限元元程序的前處處理數據轉換換程序和波動動有限元程序序控制性參數數的可視化輸輸入界面，使使波動有限元元程序前處理理變得輕松自自如，簡單易易用。經實例例驗證，該方方法快速高效效，對其它程程序的前處理理具有重要的的借鑒意義。關鍵詞：波動動有限元；復雜模型；前處理程序序；自動生成成引言我國學者廖振鵬鵬教授將時域域集中質量有有限單元法和和人工透射邊邊界結合起來來給出一種波波動問題的時時域有限元解解法[1，2]，其方法解解波動過程最最為直接，可可以很好地模模擬地震動的的傳播過程，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用用。同時該方方法在實現的的過程中采用用了顯式解法法，降低了對對計算機硬件件的要求，因因而受到大家家的歡迎。楊楊柏坡主持編編寫的“二維顯式有有限元波動程程序包LAND”于1992年通過部級級鑒定，為科科研和工程應應用奠定了堅堅實的基礎[[3]，周正正華[4]、李山山有[5]等也對對該程序的功功能進行了擴擴展和改進。需需要指出的是是，原有的計計算程序均采采用FORTRRAN77語言，數組組采用固定數數組，為了能能夠充分利用用計算機內存存，不得不結結合解題規模模進行編譯，使使用起來比較較麻煩。為了了能夠使波動動有限元程序序自動結合解解題規模充分分利用內存，作作者采用具有有先進的FORTRRAN95對上述程序序進行了改造造升級，采用用了動態數組組，使其能夠夠高效利用計計算機內存，避避免了多次編編譯，同時將將程序重新命命名為WPA2DD(2-DiimensiionWaavePrropagaationAnalyysis)，并重新編編寫兩側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算穩穩定性和功能能已經達到了了實用化程序序，但現有程程序在模型建建立及數據準準備等前處理理問題上卻存存在以下不足足，使其在科科研工作和實實際工程中的的應用受到了了很大的限制制：（1）模型的建建立只能靠數數據文件來實實現，不是很很直觀，不能能像ANSYS或ALGOR等有限元軟軟件，可以直直接進行圖形形的處理；（2）對于比較較復雜的工程程模型，在建建模時需要各各控制點詳細細的數據，容容易出錯，檢檢查起來也不不是很容易；；（3）建模工作作量大，花費費時間長，直直接造成了模模擬計算的周周期長、難度度大。為解決顯式波動動有限元程序序建模的不足足，楊柏坡等等用Fortrran語言編寫了了顯式波動有有限元的前處處理程序[33]，對于水水平成層的場場地實現了快快速、便捷的的建模。吳兆兆營編寫了基基于ANSYS專門針對土土石壩的前處處理程序[66]，該程序序只能針對兩兩側邊界等高高的情況，但但是對于具有有復雜的地質質結構等地質質體，其顯式式波動有限元元模型的建立立及網格劃分分仍然非常不不便。然而，許多有限限元程序對于于復雜工程地地質體數值模模擬的建立有有明顯優勢。由由于研究對象象的單元節點點信息，與大大型有限元軟軟件完全一致致，即將研究究對象劃分為為具有一定形形狀且有一定定編制規則的的節點組成的的單元面。因因此，作者利利用通用的建建模與網格劃劃分功能強大大的ANSYS軟件對復雜雜工程地質體體建立相應數數值模型（包包括網格劃分分），再通過過數據轉換實實現WPA2D前處理的自自動生成。WPA2D程序序的前處理目前，WPA22D只包含平面面四節點四邊邊形，對應于于ANSYS有限元程序序中的PLANEE42單元類型，剖剖分時，直接接選取該單元元類型。根據據波動分析要要求，計算出出單元所需的的尺寸界限，以以保證波動分分析的有效性性和穩定性，并并完成復雜地地質體的建模模、網格劃分分。由于WPA2D的計算數據據與ANSYS前處理所得得到的數據存存在一定的差差異，因此，利利用ANSYS所得的數據據轉換成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鍵，實施施原則是最大大程度地發揮揮ANSYS數據的功效效，盡量減少少人工輸入。其其實施的具體體步驟如下：：ANSYS模型的建立立、ANSYS和WPA2D的數據轉換換和波動控制制性參數的輸輸入。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]]，是建立復復雜計算模型型有效而又方方便快捷的平平臺。ANSYS可以自上而而下直接建立立實體模型，還還可通過自下下而上依次生生成點、線、面面和體，從而而建立實體模模型。強大的的布爾運算工工具可以實現現實體之間加加、減、分類類、搭接、粘粘接和分割等等復雜運算，大大大提高了建建立復雜地質質體模型的效效率。對于實實體模型的網網格剖分，ANSYS提供了功能能強大的控制制工具，如單單元大小和形形狀的控制、網網格的劃分類類型（自由和和映射）以及及網格的清除除和細化；此此外，還可對對實體模型圖圖直接劃分網網格；最后，輸輸出各單元節節點坐標及單單元信息文件件NLISTT.LIS和ELISTT.LIS。1.2WPAA2D與ANSYS數據的關系系要將ANSYSS前處理所得得的單元信息息和節點信息息準確轉換為為WPA2D所需的數據據，必須分析析兩者之間的的相同與不同同之處。ANSYS前處理所得得的節點信息息包括節點編編碼和節點坐坐標，單元信信息包括單元元材料序號、單單元類型、實實常數、單元元系統的坐標標指針、剖面面代號和單元元節點編碼[[6]。除了了單元類型、實實常數、單元元系統的坐標標指針、剖面面代號外，其其它信息也是是WPA2D所要求的數數據。與ANSYS數據的差別別還在于WPA2D將節點分為為內節點和邊邊界節點，且且邊界節點進進一步細分為為左邊界節點點、右邊界節節點和底邊界界節點，并且且需要提供邊邊界區節點編編碼及邊界節節點所處的層層數（自底邊邊界算起，底底邊界為1），邊界節節點處的人工工波速，還有有左右邊界節節點縱坐標信信息（從小到到大）及對應應節點處的材材料編碼，供供邊界區自由由場計算使用用。仔細總結結分析WPA2D所需數據的的特點，發現現有以下規律律可以利用：：①左、右邊界界節點橫坐標標為系統橫坐坐標的最小值值和最大值，底底邊界的縱坐坐標為系統縱縱坐標的最小小值，可以充充分利用該特特點來判斷節節點類型和邊邊界節點類型型；②左右邊界節節點所在的層層數與其縱坐坐標從小到大大所對應的排排列序號相同同，可以根據據縱坐標利用用排序程序對對左右邊界節節點來進行重重新排序，從從而獲得側邊邊界節點所在在的層數；③與普通有限限元的區別在在于，由于采采用了透射邊邊界，要求左左右邊界區至至少有3到5個單元為規規則網格，且且單元的水平平長度應該相相等，底邊界界至少有3到5個單元為規規則網格，且且單元的豎向向長度應該相相等，根據以以上兩個特點點，首先對底底邊界節點按按橫坐標從小小到大進行重重新排序，利利用重新排序序后的底邊界界相臨兩點的的橫坐標之差差的絕對值給給出左右側邊邊界區節點的的水平間隔，同同時利用左右右邊界相臨兩兩點縱坐標之之差的絕對值值給出底邊界界區的豎向間間隔，利用該該特點可以找找出邊界透射射層的節點編編碼。關于左左右邊界節點點處的材料編編碼的實現，首首先規定左右右邊界節點處處的材料編碼碼（自底向上上）代表該節節點至上一節節點間的材料料號，除了底底部、頂部腳腳點只包含于于一個單元內內（可判斷最最底部的節點點處的材料號號等于其所在在單元的材料料號），其它它節點均包含含于兩個單元元，因此節點點材料數組必必須要開一個個臨時的二維維數組，為了了暫時保存一一個節點所在在的兩個單元元的材料編碼碼；根據已排排序的邊界節節點，按單元元循環，并將將單元材料信信息先賦予臨臨時的二維數數組，并判斷斷每個節點臨臨時兩維數組組與下部相臨臨節點的材料料號的異同，如如果兩者都相相同，即可代代表該節點出出的材料號，否否則不同者為為節點處材料料號。具體實現思路如如下：從ANSYS導出輸入單單元節點信息息和節點坐標標信息，找出出，，判斷節點類類型找出邊界界節點編碼和和邊界節點類類型，對左右右邊界節點按按縱坐標從小小到大進行排排序和底邊界界節點按橫坐坐標進行從小小到大排序，重重新對邊界節節點進行排序序，并給出相相臨邊界層編編碼及層數，同同時找出左右右邊界節點處處的材料號，輸輸入材料強度度參數和動力力計算控制參參數，依次求求出邊界節點點的人工波速速（如果節點點上下兩段的的材料號不同同時，取其剪剪切波速的平平均值）。1.3波動有有限元控制參參數輸入除了利用ANSSYS轉換的數據據外，有些波波動控制參數數尚尚需人工工輸入，本文文在設計程序序界面時，進進行提供交互互式輸入，減減少人工勞動動，其輸入的的參數見圖1和圖2。在上述基礎礎上，采用VisuaalBassic語言編寫了了波動有限元元程序的前處處理數據轉換換和波動有限限元程序控制制性參數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的輸入數據據格式保存到到相應的數據據文件，完成成波動有限元元程序WPA2D前處理工作。圖1波動控制制性參數輸入入和轉換程序序界面應用實例本文選取一個比比較復雜的且且具有代表性性的含軟弱夾夾層的巖質邊邊坡作為示例例，其模型尺尺寸如圖2所示。對于于這樣一個地地表形態和地地質結構復雜雜的邊坡，采采用本文提出出的前處理方方法很理想地地建立其計算算模型，具體體操作如下：：圖2某邊坡地地質模型示意意圖（單位：：m）（1）ANSYYS網格剖分及及數據輸出。首首先，找出邊邊坡的幾何控控制點作為ANSYS文件的關鍵鍵點輸入，將將其連線，生生成實體模型型，定義材料料類型，選擇擇PLANEE42單元類型；；然后根據波波動計算要求求控制單元尺尺寸，用MESHTTOOL命令完成網網格剖分，并并用COMPRRESSNNUMBERR命令使節點點和單元編號號達到最優，避避免冗余，模模型劃分35578個四邊邊形單元，33726個節節點；最后用用LIST命令欄中的NODESS…和ELEMEENTS命令輸出節節點信息文件件NLISTT.LIS和單元節點點信息文件ELISTT.LIS。（2）運行PrreWPA22D。根據PreWPPA2D提示信息，依依次完成所有有的選擇和輸輸入，并點擊擊命令“開始轉換”，程序自動動完成前處理理工作，完成成后相應的命命令欄會出現現提示性信息息“完成轉換”，關閉該程程序，即可運運行程序WPA2D進行計算，生生成的數值模模型如圖3所示。圖3某邊坡數數值模型（單單位：m）整個建模從數據據采集到模型型開始計算，共共用時不到1個小時，目目前這是其它它方法無可比比擬的。3結論本文提出了基于于ANSYS平臺復雜地地質體波動有有限元程序WPA2D數值模型的的自動生成方方法。該方法法不僅克服了了建立復雜計計算模型的困困難，而且實實現了建模的的自動化。其其流程的每一一個操作均簡簡單、易行，所所要求的基本本數據僅為幾幾何圖形數據據點，大大減減少了建模所所需的時間、精精力，提高了了數值模擬的的頻度，有利利于充分發揮揮WPA2D解決科研和和實際工程問問題的強大功功能，也有助助于WPA2D在地震工程程和巖土工程程領域的普及及和應用。該方法的主要思思路著眼于發發揮和結合WPA2D與ANSYS軟件的優點點，并開發了了WPA-AANSYS接口程序PreWPPA2D，解決了復復雜工程地質質體的建模難難題。對于復復雜工程地質質問題的數值值模擬，本文文提出的方法法值得借鑒。參考文獻：[1]廖振鵬..工程波動理理論導論[M].北京:科學出版社,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程程序包”科技成果在在哈爾濱通過過部級鑒定[J].世界地震工工程,19993,9((1):443.[4]周正華