基于ANSYS二次开发的地下结构动力反应仿真分析
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摘要
随着震害资料的积累和对地下结构抗震性能研究的深入，人们逐渐认识到了用拟静力方法进行地下结构地震反应分析具有的较大局限性，而动力有限元方法更为可取。本文的工作就是围绕地下结构地震反应的动力有限元仿真分析这一问题展开的，具体工作如下。
1．对地下结构地震反应分析方法以及水平成层场地地震反应的分析方法也进行了概括总结，提出了所存在的问题和本文的重点研究工作。
2．提出了一种基于外挂程序包的ANSYS二次开发方法，实现了国际上最为流行的大型通用有限元软件ANSYS和中国地震局工程力学研究所开发的二维显式有限元波动程序包LAND的结合，一方面大大增强了LAND程序前后处理的能力，另一方面也提高了ANSYS分析动力问题时的计算效率和精度。
3．提出了一种直接基于ANSYS求解器的开发方法，这种方法利用APDL语言和(?)IDL语言编程，通过内部数组与ANSYS求解器交换数据，使ANSYS在进行土—地下结构系统动力分析时，每计算一步，都用透射公式对边界节点的位移进行一次修正，从而实现了多次透射边界条件。这种方法在充分利用ANSYS求解器强大功能的基础上，提高了进行地下结构动力反应分析时的计算精度。
4．推导了李小军积分格式的增量形式，并据此离散动力平衡方程。同时，采用Pyke提出的土动力本构模型以及多次透射边界条件，提出了一种场地地震反应一维非线性分析的方法，并据之编制了计算机程序。数值实验表明，这种组合方案能较好的模拟土层在强地震作用下的非线性特性。
最后，对全文的研究工作进行了总结，并讨论了今后进一步的工作。
With the accumulation of seismic disaster data and the development of scientific research, people have gradually realized the deficiency of pseudo-static mechanics method when analyzing the seismic response of underground structure. On the other hand, the dynamic finite element method is considered to be preferable. The main research work of this paper focuses on the application of this method to the seismic response analysis and simulation of underground structure, which could be summarized as the following four aspects.
1. The research advances of seismic response analysis of underground structure as well as horizontal layered soil site are briefly summarized. Thereafter, the limitation of existing methods and the main studies done in this paper is pointed out.
2. Based on redeveloping skills, an approach is put forward to realize the organic combination of ANSYS, a general purpose finite element modeling program, and LAND, a procedure developed by Institute of Engineering Mechanics, China Seismological Bureau, for numerically solving two-dimensional wave motion problems. This approach can greatly enhance the capacity of preprocess and post process of LAND, while improving the computational efficiency and accuracy of ANSYS when dealing with dynamic problems at the same time.
3. Via programming in APDL and UIDL language, an additional software package is developed to simulate the multi-transmitting boundary by adjusting the displacement of nodes on the artificial boundary in every iteration when dynamic response of soil-structure system is analyzed with ANSYS. This software package shares data with ANSYS solver through inner arrays. The results of numerical examples manifest that this approach can improve the computational accuracy of ANSYS in dynamic response analysis of underground structure.
4. Based on the previous study of Li Xiaojun, a incremental-iterative
II
scheme is presented, which is used to discretize the dynamic equation. Combining the dynamic nonlinear constitutive model of soil presented by Pyke, the multi-transmitting boundary condition presented by Liao Zhenpeng and the numerical integral method mentioned above, a new approach is proposed to predict the nonlinear seismic response of horizontal layered soil site and a computer program is worked out with the help of the same ideas. As is demonstrated by numerical examples, this approach can significantly improve the simulation of the nonlinear characteristics of soil site under strong seismic motions.
1．对地下结构地震反应分析方法以及水平成层场地地震反应的分析方法也进行了概括总结，提出了所存在的问题和本文的重点研究工作。
2．提出了一种基于外挂程序包的ANSYS二次开发方法，实现了国际上最为流行的大型通用有限元软件ANSYS和中国地震局工程力学研究所开发的二维显式有限元波动程序包LAND的结合，一方面大大增强了LAND程序前后处理的能力，另一方面也提高了ANSYS分析动力问题时的计算效率和精度。
3．提出了一种直接基于ANSYS求解器的开发方法，这种方法利用APDL语言和(?)IDL语言编程，通过内部数组与ANSYS求解器交换数据，使ANSYS在进行土—地下结构系统动力分析时，每计算一步，都用透射公式对边界节点的位移进行一次修正，从而实现了多次透射边界条件。这种方法在充分利用ANSYS求解器强大功能的基础上，提高了进行地下结构动力反应分析时的计算精度。
4．推导了李小军积分格式的增量形式，并据此离散动力平衡方程。同时，采用Pyke提出的土动力本构模型以及多次透射边界条件，提出了一种场地地震反应一维非线性分析的方法，并据之编制了计算机程序。数值实验表明，这种组合方案能较好的模拟土层在强地震作用下的非线性特性。
最后，对全文的研究工作进行了总结，并讨论了今后进一步的工作。
With the accumulation of seismic disaster data and the development of scientific research, people have gradually realized the deficiency of pseudo-static mechanics method when analyzing the seismic response of underground structure. On the other hand, the dynamic finite element method is considered to be preferable. The main research work of this paper focuses on the application of this method to the seismic response analysis and simulation of underground structure, which could be summarized as the following four aspects.
1. The research advances of seismic response analysis of underground structure as well as horizontal layered soil site are briefly summarized. Thereafter, the limitation of existing methods and the main studies done in this paper is pointed out.
2. Based on redeveloping skills, an approach is put forward to realize the organic combination of ANSYS, a general purpose finite element modeling program, and LAND, a procedure developed by Institute of Engineering Mechanics, China Seismological Bureau, for numerically solving two-dimensional wave motion problems. This approach can greatly enhance the capacity of preprocess and post process of LAND, while improving the computational efficiency and accuracy of ANSYS when dealing with dynamic problems at the same time.
3. Via programming in APDL and UIDL language, an additional software package is developed to simulate the multi-transmitting boundary by adjusting the displacement of nodes on the artificial boundary in every iteration when dynamic response of soil-structure system is analyzed with ANSYS. This software package shares data with ANSYS solver through inner arrays. The results of numerical examples manifest that this approach can improve the computational accuracy of ANSYS in dynamic response analysis of underground structure.
4. Based on the previous study of Li Xiaojun, a incremental-iterative
II
scheme is presented, which is used to discretize the dynamic equation. Combining the dynamic nonlinear constitutive model of soil presented by Pyke, the multi-transmitting boundary condition presented by Liao Zhenpeng and the numerical integral method mentioned above, a new approach is proposed to predict the nonlinear seismic response of horizontal layered soil site and a computer program is worked out with the help of the same ideas. As is demonstrated by numerical examples, this approach can significantly improve the simulation of the nonlinear characteristics of soil site under strong seismic motions.
引文
[1] 陈波，吕西林，李培振，陈跃庆，用ANSYS模拟结构—地基动力相互作用振动台实验的建模方法，地震工程与工程振动，Vol．22，No．1，126-131，2002
[2] 丁海平(导师：廖振鹏)，线性土—结构动力相互作用分析方法的改进，中国地震局工程力学研究所博士研究生学位论文，2000，11
[3] 丁海平，周正华，土层地震反应的数值模拟，世界地震工程，Vol．14，No．3，26-31，1998
[4] 段志东，张克华，ANSYS图形用户界面二次开发，兰州铁道学院学报(自然科学版)，第21卷第1期，44-46，2002
[5] 龚曙光，罗显光，ANSYS基础应用及范例解析，机械工业出版社，2003
[6] 胡耀雄等，昆明盆地的结构特征对震害与地震动的影响，云南省科委应用基础研究基金资助项目，1997
[7] 胡聿贤，地震工程学，地震出版社，1988
[8] 嘉禾工作室，ANSYS 5.7有限元实例分析教程，机械工业出版社，2002
[9] 江见鲸，傅德炫，王立翔编著，建筑结构计算机分析及程序，清华大学出版社，1998
[10] 柯兵．谭林森，用有限元边界元方法计算结构体振动辐射声场，2001年船舶与海洋工程研究专集，总第143期．97-99，2001
[11] 孔亮，王燕吕，郑颖人，土体动本构模型研究评述，宁复大学学报(自然科学版)，第22卷第1期，17-22，2001
[12] 李小军(导师：廖振鹏，张克绪)，非线性场地地震反应分析方法的研究，中国地震局工程力学研究所博士研究生学位论文，1993，3
[13] 李小军，廖振鹏，土应力应变关系的粘—弹—塑模型，地震工程与工程振动，Vol．9，No．3，65—72，1989
[14] 李昕，周晶，陈健云，考虑土体非线性特性的直埋管道—土体系统的动力反应分析
[15] 廖振鹏主编，地震小区划理论与实践，地震出版社，1989
[16] 廖振鹏著，工程波动理论导论，科学出版社，2002
[17] 廖振鹏，李小军，地表土层地震反应的等效线性化解法，地震小区划-理论与实践，地震出版社，1989
[18] 林皋，地下结构抗震分析综述(上、下)，世界地震工程，No．2、3，1990
[19] 刘晶波，吕彦东，结构—地基动力相互作用问题分析的一种直接方法，土木工程学报，第31卷第3期，55-64，1998
[20] 刘涛，精通ANSYS，清华大学出版社，2002
[21] 卢滔(导师：周正华，周雍年)，响嘡台阵场地特征及其反应的分析，中国地震局工程力学研究所硕士研究生学位论文，2003，6
[22] 栾茂田，林皋，场地地震反应一维非线性计算模型， 工程力学，Vol．9，No．1，
94—103，1992
[23] 马强(导师：金星)，强震观测数据实时处理方法的研究，中国地震局工程力学研究所硕士研究生学位论文，2002，12
[24] 潘旦光，楼梦麟，范立础，多点输入下场地非线性地震反应分析计算模型，同济大学学报，第30卷第12期，1411-1416．2002
[25] 齐慧，杨屹，蒋玉明，基于ANSYS软件二次开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟研究，四川大学学报(工程科学版)，第33卷5期，47-50，2001
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[27] 宋天霞，郭建生，杨元明，非线性固体计算力学，华中科技大学出版社。2002
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[30] 孙钧，汪炳鉴，地下结构有限元解析，同济大学出版社，1988
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[33] 谢康和．周健编著，岩土工程有限元分析理论与应用，科学出版社，2002
[34] 谢礼立，李沙白，章文波，唐山响嘡三维场地影响观测台阵，地震工程与工程振动，19卷2期，1-8，1999
[35] 杨小礼，李亮，层状地基中交通隧道地震反应分析，长沙铁道学院学报，第18卷第4期．15-19，2000
[36] 伊颖锋，施建勇，周清华，土体弹塑性本构模型研究概述，岩土工程师，14卷2期．10—13，2002
[37] 尤红兵，孙建恒，刘聪慧，ANSYS的二次开发及其在土石坝有限元分析中的应用，河北农业大学学报，第18卷增刊，279-282，2002
[38] 张克绪，谢君斐著，土动力学，地震出版社，1989
[39] 张克营，岩土力学，中国水利水电出版社，2000
[40] 赵振东、熊建国等，哈尔滨市轨道交通工程利用七三八—隧道结构安全性评价研究报告，中国地震局工程力学研究所，2001
[41] 郑颖人，沈珠江，龚晓南著，岩土塑性力学原理，中国建筑工业出版社，2002
[42] Ahmed Elgamal and Tao Lai, Comprehensive Investigation of Nonlinear Site Response: Collaborative Reasearch with UC San Diego and UC Davis,, January 1999 through October 1999, USGS Award No.: 99-HQGR-O020, URL: http://www-mae.ucsd.edu/research/elgamal
[43] ANSYS APDL Programmer's Guide, ANSYS Inc.,2001
[44] ANSYS Basic Analysis Procedures Guide, ANSYS Inc.,2001
[45] ANSYS Commands Reference, ANSYS Inc.,2001
[46] ANSYS Guide to User Programmable Features, ANSYS Inc.,2001
[47] ANSYS Operations Guide, ANSYS Inc.,2001
[48] ANSYS UIDL Programmer's Guide, ANSYS Inc.,2001
[49] Dominic Assimaki, Eduardo Kausel, An Equivalent Linear Algorithm With Frequency-and Pressure-dependent Moduli and Damping for the Seismic Analysis of Deep Sites, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 22(2002) 959-965
[50] Guide to Interfacing with ANSYS, ANSYS Inc.,2001
[51] Huey-Chu Huang, Chie-Song Shieh, and Hung-Chie Chiu, Linear and Nonlinear Behaviors of Soft Soil Layers Using Lotung Downhole Array in Taiwan, TAO, Vol.12, No. 3, 503-524, September 2001
[52] Jun Seong Choi, Jong She Lee, Member ASCE, Jae Min Rim, Nonlinear Earthquake Response Analysis of 2-D Underground Structures with Soil-Structure and Sliding at Interface, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, June 2-5, 2002, Columbia University, New York, NY
[53] Joyner W B and Chen A T F, Calculation of Nonlinear Ground Response in Earthquakes, BSSA, 1975,65(5),1315-1330
[54] Luis Fabian Bonilla, Jamison H. Steidl, Jean-Christophe Gariel, and Ralph J. Archuleta, Borehole Response Studies at the Garner Valley Downhole Array, Southern California, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 92, No. 8, pp. 3165-3179, December 2002
[55] Michele Louie, Seismic Soil-Structure Interaction, ECI 281A, ADV. Soil Mechanics Term Project, Fall 2001
[56] Prof. dr. ir.R. de Borst, Modern Strategies for Numerical Modeling of the Cyclic and Transient Behavior of Soils, DUP Science, 2001
[57] Robert Pyke, Nonlinear Soil Models for Irregular Cyclic Loadings, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 105, GT6, 1979, p. 715
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