[发明专利]一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法

权利要求书

1.一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：根据长线输水管线及岩层的结构特点和基岩边界条件，确定实体结构、水体和边界元所需单元类型、材料性质和弹簧—阻尼器的实常数；

步骤2：建立输水结构各节段及周边岩层的有限元模型，以约束方程耦合的方式完成毗邻节段周边岩层的连接；

步骤3：模拟管线内水体，利用流固耦合法以FSI标签指定流固耦合接触面，实现非粘可压缩水体与结构的耦合连接；

步骤4：模拟基岩边界的粘弹性约束，实现粘弹性边界元与岩层有限元的耦合，进行三向地震作用下底边界离散点处节点力型地震时程的输入；

步骤5：对长线输水结构进行动力时程计算，获取结构的应力及变形结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法，其特征在于：所述步骤1中采用solid45单元模拟输水结构及岩层，fluid30单元模拟非粘可压缩水体，combin14单元模拟基岩粘弹性边界，明确材料质量密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角性质和弹簧—阻尼器单元的弹簧刚度及阻尼系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法，其特征在于：步骤2中用solid45单元建立输水结构及周边岩层的各节段有限元模型后，以约束方程耦合的方式完成毗邻节段间岩层的连接，该方程是基于自由度协调的线性方程，即：

式(1)中，U(i)为某向平动自由度Ux、Uy、Uz或转动自由度ROTx、ROTy、ROTz，Coefficient(i)为自由度U(i)的系数；

具体方法为针对j和j+1两相邻节段，j＝1～n-1,n为总节段数，从网格密度大的j节段端部选择岩层耦合节点组，从网格密度小的j+1节段端部选择岩层耦合单元组，使用ceintf命令将两个具有不同网格的区域联系起来，j节段节点的自由度即可由j+1节段单元节点的自由度内插形成约束方程；取j＝1到j＝n-1，依次完成两两相邻节段的衔接。

4.根据权利要求1所述的一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法，其特征在于：步骤3中基于欧拉法中的位移—压力(u、p)格式，即对管体采用位移u、管水采用压力p模拟管线内水体与结构的动力耦合效应；假定水体为可压缩、非粘、均质流体，固体域的方程以u_i为未知量，流体域的方程以流场压力p为未知量，流体方程为：

式(2)中，为水体中声速，k为水体体积模量，ρ为水体密度；

管—水交界面的边界条件为：

式(3)中，p为交界面水体节点应力，ρ为水体密度，为水体法向加速度；

该法利用流体运动方程与结构弹性体运动方程的相似性，得到与结构有限元相一致的流体有限元计算模式，则流固耦合的动力平衡方程以分块矩阵的形式表达为：

式(4)中，u、p为位移和动水压力，M、C、K和M'、C'、K'分别为结构和水体的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，Q为流固交界面的耦合矩阵，f为结构荷载向量；

具体方法为用fluid30单元模拟水体，输水管线与水体形成两个独立实体，两者结合面上单元网格划分要完全一致，在交界面上同一位置出现两个重合节点，设定直接接触管线的外层水体单元为分界面处有结构性质，设定与管线不接壤的内部水体单元为分界面处无结构性质，先选择交界面内所有节点，再选择附属于上述节点的水体单元，通过FSI标签实现管线节点与水体节点的耦合。

5.根据权利要求1所述的一种基于耦合理论的长线输水结构动力时程分析建模方法，其特征在于：步骤4中在有限岩层边界建立由combin14单元模拟的弹簧-阻尼器系统构成的粘弹性边界；具体方法为判定边界岩层层数，根据每岩层的剪切模量G和质量密度ρ，计算该岩层边界节点l处弹簧-阻尼器单元的法向与切向弹簧刚度K_ln和K_lt，法向与切向阻尼系数C_ln和C_lt；利用APDL语言逐层逐个节点添加三向弹簧—阻尼器系统，实现有限元实体与边界元的耦合。