[发明专利]适用于显式分析的三维无限元人工边界建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗震分析领域，更具体地，涉及一种适用于显式分析的三维无限元人工边界建立方法。

背景技术

评估结构的安全性和完整性时，分析结构在地震作用下的响应是很重要的一项内容。结构的抗震分析受到结构、地震动、场地土特性等因素的影响，而与地基相连的结构体系，相较于地基往往具有刚度大的特点，此时刚性地基的假设并不能够反映结构真实的响应，所以研究中需要考虑土-结构相互作用的影响。

土-结构相互作用是由地基土和结构不同的材料性质在受力作用后引起形变，导致两者之间产生相互作用的问题，其动力分析不仅与结构动力学对结构响应的计算有关，还涉及到地基土的无限域模拟。土-结构相互作用动力分析研究的是波动经地基土的传播引起上部结构振动，此时上部结构产生的惯性力反作用于地基，引起地基新的振动又重新作用在结构上这样的过程。其分析方法主要分为两大类，即直接法和子结构法。子结构法基于叠加原理建立，只适用于分析线性模型，随着计算机技术的发展，建立结构复杂但精细的三维模型和考虑非线性等因素的影响，采用直接法模拟计算在SSI影响下的响应越来越受到关注。直接法是将土-结构作为整体进行动力分析，在有限元的数值模拟中，研究对象是有界的，而地基土是半无限性的，所以需要建立人工边界来模拟地基的辐射阻尼，吸收散射波在边界处产生的反射。

现阶段使用有限元法建立土-结构相互作用的模型时，通过设置人工边界模拟土的无限性，构建人工边界时主要采用粘弹性人工边界的方法。该方法基于无限空间中柱面和球面波理论推导得出，采用在截取的有限土体的边界处设置物理元件，即分别在边界的法向和切向施加离散的并联弹簧和阻尼器模拟。该法可以在ABAQUS的隐式动力分析中得以实现，但是对于大型复杂的、需要考虑非线性因素影响的三维结构模型，使用隐式动力分析计算时很难达到收敛，计算也很耗时，并且ABAQUS显式分析在保证计算稳定性的情况下可以提高计算效率，但是受到显式动力分析中无法设置接地弹簧-阻尼器的限制，影响了粘弹性人工边界在显式动力分析中的实现。

发明内容

本发明为了充分利用ABAQUS显式动力分析计算效率高的特点，克服上述现有技术在实现时存在的一些问题，提出了适用于显式分析的三维无限元人工边界建立方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

适用于显式分析的三维无限元人工边界建立方法，包括以下步骤：

S1.创建三维土体几何模型，然后从三维土体几何模型中截取出部分的土体作为近场区域，剩余的土体作为远场区域；

S2.建立三维无限元人工边界，使用无限元模拟远场区域，而采用有限元模拟近场区域；

S3.将外源波动转化为等效的节点力，然后将其施加在构建的人工边界的节点上。

本发明在ABAQUS显式分析中采用无限元建立人工边界基于无穷远处位移为零的条件模拟地基土的无限性，截取感兴趣的三维土体，在有限土体的近场区域采用有限元模拟，而与土体的外侧即底面和四个侧面有一定距离的远场区域采用无限元模拟。该方法不仅可以保证计算的稳定性和精度，同时适用于显式动力分析，充分利用显式分析计算效率高的特点，解决了数值模拟计算复杂但结构精细的三维土-结构相互作用模型成本大的困难。

优选地，所述步骤S3中外源波动为位移场为u_p(t)的P波或S波，其垂直入射至人工边界处，此时人工边界上的节点l上施加的节点力f_li(t)为：