CN109241579A - 一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，包括以下步骤：建立多维尺度变化的蓄水结构有限元模型；在蓄水结构临水面处建立离散节点集合，自动化计算有限宽度流域时附加质量的折减系数β；自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)；自动化加载由mass21质量单元模拟的附加流体；对附加流体质量单元的输水结构进行模态分析及动力时程分析；本发明解决了蓄水结构中临水界面上巨量流体附加质量的集成化输入难题，可简化建模程序，极大程度降低计算工作量，适用于针对水工结构在考虑动水作用下的动力性能分析问题。

Description

一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法
技术领域
本发明涉及水工结构动力分析技术领域，具体涉及一种考虑流体附加质量多 维空间瞬变特性的快速建模方法。
背景技术
随着南水北调国家战略的实施，我国境内兴建了大批穿越抗震设防区的渡槽、 倒虹吸、渠坝等长线输水结构。它们在遭遇地震作用时，将受到来自内部流体强 烈的冲击。研究这类输水结构的动力特性及其在动水压力作用下的响应情况，是 验证结构抗震设计合理性，并保障结构长期工作安全的重要技术手段。
在工程实践中，为反映外部动水环境对输水结构的作用，一般借助有限云平 台，依据附加质量法或流固耦合法等原理实施动水效应的模拟。其中，附加质量 法是由学者Westergaard提出的一种考虑动水压力对结构作用的简化计算方法， 因参数明确，公式简单，且便于在有限元软件中实现而被广泛应用。该方法通过 流域宽度折减系数β、流体高度H和计算点水流深度z等参数体现流体各向方位 变化，能够适应流域在多维空间内发生尺寸瞬变时的有效模拟。
在各类有限元软件中实现附加质量施加的基本方法为，直接在结构的相关节 点上施加用单点质量单元拟合的附加流体。以ANSYS程序为例，在其前处理阶 段，需要设计者逐点选中离散节点，依次手动加载流体附加质量单元mass21。 由于无法对离散节点行使全部选中命令，对流体单元实施一次性集中加载，手工 建模工作量巨大，计算效率低下。目前，尚未有在ANSYS有限元环境下，对水 体附加质量进行批量化加载技术的阐述。针对建立包含巨量离散点的大型蓄水结 构模型，尤其是水流空间呈现多变态势的情形，需要发明一种适应结构多维空间 变化的流体附加质量自动化加载技术，通过编制ANSYS接入程序，实现附加质 量的批量施加，大幅减少前处理工作量。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性 的快速建模方法。克服ANSYS软件现有功能的不足，通过加载基于APDL语言 的自编程序，考虑了流体附加质量的多维空间瞬变特性，解决了在含有巨量离散 点的输水结构中自动化添加流体附加质量的技术难题。
本发明的技术方案为：一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模 方法，包括以下步骤：
S1：根据结构尺寸及材性指标，建立多维尺度变化下的蓄水结构有限元模型；
S2：在蓄水结构临水面处建立离散节点集合，根据Westergaard提出的流体附 加质量计算模型，考虑流体域宽度及深度对附加质量的影响，加载基于APDL语 言的自编程序，自动化计算各离散点处附加质量的影响系数β；
S3：在离散节点集合中，考虑流体域深度和纵深向长度对附加质量数值的影 响，加载基于APDL语言的自编程序，自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)；
S4：在离散节点集合中，加载基于APDL语言的自编程序，自动化施加由mass21 质量单元模拟的附加流体；
S5：采用ANSYS模态分析法及瞬态动力分析法，对结构进行考虑动水作用 下的振动形态分析及受力和变形时间历程分析。
进一步地，所述步骤S1中，由结构及材性特点，确定基本建模参数，建立 蓄水结构实体有限元模型，所述基本建模参数包括单元类型、材料属性、单元网 格形状和单元大小。
进一步地，所述步骤S2中，采用由Westergaard提出的附加质量计算式考虑动 水压力对结构的作用；结构临水面处单位面积内的动水附加质量由 进行计算；其中，p(z)为距离水面高度为z处的单位面积内附 加质量；β为有限宽度流域时附加质量的折减系数；γw为流体密度，单位为kg/m3； H为蓄水结构内流体深度，单位为m；z为计算点到水面的垂直距离，单位为m； 由于附加质量法是基于半无限大流域得出的，在应用于有限流域时需乘以折减系 数β，见表1。
表1：有限宽度流域时附加质量的折减系数β
注：B/H为流域的宽高比。
进一步地，所述步骤S2中，考虑流体域宽度及深度对附加质量的影响，自 动化计算各离散点处附加质量影响系数β的步骤为：
(1)选择需要附着动水质量单元的离散节点，并由get命令得到节点总数 nmax和节点最小编号npmin，同时定义含nmax个参数的置换数组wn1和wn2；
(2)对wn1数组首项赋值npmin后，从加载步2到nmax执行do循环，使 用ndnext命令对wn1(i)数组余项依次赋值，在wn1数组内实现所有节点按从 小到大编号排序；
(3)从加载步1到nmax实施do循环，对应第i循环步，由ny命令返回第 i个节点沿水流深度方向坐标，赋值给数组wn2(i)，在wn2数组内记录所有节 点沿水流深度方向坐标；
(4)将水面高程赋值给参数T，从加载步1到nmax实施do循环，对应第i 循环步，采用if及else if判断语句，取T与wn2(i)中较小者赋值于T，最终令 H＝水面高程-T,H即为离散节点的最大蓄水高度；
(5)根据流域的宽高比B/H及表1，采用if及else if判断语句，确定B/H的 取值区间及β的数值。
进一步地，所述步骤S3中，考虑流体域深度和纵深向长度的影响，自动化 计算各离散点的动水附加质量p(i)，具体步骤为：由get命令得到离散节点最大 编号npmax，从加载步1到nmax实施do循环，对应第i循环步，由anode命令 寻找第i个节点的附属面积area(i)，由z(i)＝水面高程-wn2(i)，确定各计算 节点到水面的垂直距离，根据公式(1)获得i节点附属面积内的附加质量，即 其中area(i)为第i个节点的附属面积。
进一步地，所述步骤S4中，自动化施加由mass21质量单元模拟的附加流体， 具体步骤为：针对i节点，确定附加单元类型为mass21，实常数为附加质量p(i)； 质量单元方向需与流体作用方向相吻合，若临水面为与水平面交角为θ，需将 p(i)分解成沿水平向和铅直向的附加质量参数p(i)sinθ与p(i)cosθ；完成do循 环，在全部离散节点处生成新质量单元。
进一步地，所述步骤S5中，对考虑流域多维空间变化的蓄水结构，可按照 模态分析理论确定附加流体对结构振型及振幅的影响，并可采用Newmark显式 积分法开展动力时程分析，获取结构的应力及变形结果。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本发明解决了针对含有巨量离散点的大型输水结构，手工添加流体附加 单元耗时长、效率低的问题。
2、本发明基于APDL语言的程序编制功能，创建了自动添加流体附加质量 的加载程序，能够实现对输水结构各临水面内各向附加流体质量的集中施加；程 序内涵盖了与流体多维空间特性相关的参数，如流域宽度折减系数β、流体高度 H和计算点水流深度z等，能够适应流域在各向空间内尺度的随机变化；完整阐 述了对于自动添加附加流体单元的水工结构进行动力特性及动力响应分析的全 流程。
3、本发明所述方法是ANSYS软件针对大型输水结构动力分析的二次开发， 充分考虑了流体附加质量的空间多维瞬变属性，采用集成化调入程序的方法，极 大提高了建模效率，降低了计算成本。
4、应用本发明可以解决各类输水结构考虑流体附加质量的动力计算问题， 具有实际应用价值。
附图说明
图1为实施例1考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模技术流程图；
图2为实施例2附加水体单元的输水管线模型示意图；
图3为实施例2输水管线1阶振型示意图；
图4为实施例2输水管线2阶振型示意图；
图5为实施例2输水管线3阶振型示意图；
图6为实施例3附加水体单元的沉淀池模型示意图；
图7为实施例3沉淀池关键时间点t＝3s时σx向应力云图；
图8为实施例3沉淀池关键时间点t＝3s时σy向应力云图；
图9为实施例3沉淀池关键时间点t＝3s时σz向应力云图；
图10为实施例3沉淀池关键节点应力时程图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，使用ANSYS软件APDL编程语言实现本发明的流程 如下：
S1：建立多维尺度变化下的蓄水结构有限元模型：根据所分析结构尺寸及材 性等特点，在ANSYS前处理阶段依次输入单元类型、材料属性等，建立实体模 型并划分网格。
S2：加载基于APDL语言的自编程序，自动化计算蓄水结构临水面离散点处 的附加流体质量影响系数β：选择需要附着动水质量单元的离散节点，确定其节 点总数nmax和节点最小编号npmin，同时定义置换数组wn1和wn2；执行do循 环，使用ndnext命令在wn1数组内实现所有节点按从小到大编号排序；执行do 循环，在wn2数组内记录所有节点沿水深向坐标；执行do循环，采用if及else if 判断语句，获得离散节点中最低水位高程坐标T，令H＝水面高程-T,H即为离 散节点的最大蓄水高度；依据表1，采用if及else if判断语句，自动计算β数值。
S3：加载基于APDL语言的自编程序，自动化计算各离散点的动水附加质量 p(i)：在全部离散点范围内执行do循环，由anode命令确定节点i的附属面积 area(i)，由z(i)＝水面高程-wn2(i)计算节点i到水面的垂直距离，根据公 式(2)计算节点i附属面积内的附加质量，即
S4：加载基于APDL语言的自编程序，自动化施加由mass21质量单元模拟 的附加流体：针对i节点，指定附加单元类型为mass21，其实常数为附加质量p(i)， 质量单元方向需与流体作用方向相吻合；完成do循环，在全部离散节点处生成 新质量单元。
S5：对附加流体质量单元的结构开展模态分析及动力时程分析：确定附加流 体对结构振型及振幅的影响，提取反映结构受力及变形性能云图及时程图，评价 结构的安全性能。
实施例2：利用本发明对某输水管线结构进行有限元自动化建模和模态分析， 具体步骤为：
S1：建立输水管线结构有限元模型。以某20m长的混凝土输水管线结构为 分析对象，其侧板和底板与水平面交角分别为θ1＝83.7°和θ2＝5.7°，输水深度沿 结构纵深方向渐变。混凝土为C40，岩层为壤土，水面高程6m，水域宽度B＝11.2m。 由ANSYS前处理程序输入材料的质量密度、弹性模量和泊松比等，用solid185单 元模拟结构及岩层，mass21单元模拟附加流体质量，建立实体模型并mesh网格；
S2：自动化计算蓄水结构临水面离散点处的附加流体质量影响系数β。选择 需要附着动水质量单元的离散节点，确定其节点总数nmax和节点最小编号npmin； 执行do循环，对离散节点按编号排序并返回各点沿水深向坐标；执行do循环， 采用if及else if判断语句，获得离散节点中最低水位高程坐标T为-1.2m，则离 散节点的最大蓄水高度H为7.2m；由B/H＝1.55并采用if及else if判断语句， 自动计算β＝0.84；
S3：自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)；在全部离散点范围内执行do 循环，由anode命令确定节点i的附属面积area(i)，由z(i)＝6m-wn2(i)计 算节点i到水面的垂直距离，则节点i附属面积内的附加质量为
S4：自动化施加由mass21质量单元模拟的附加流体。针对i节点，指定附 加单元类型为mass21；由于侧板与底板的临水面与水平面呈θ1和θ2交角，故需将 p(i)分解成沿水平向和铅直向的附加质量参数p(i)sinθ1(2)与p(i)cosθ1(2)；完成 do循环，在全部离散节点处生成新质量单元；
S5：对附加流体质量单元的结构开展模态分析。
对结构开展模态分析，提取结构前10阶振动频率及前3阶振型示意图，见 表2及图3、图4、图5。表2中，蓄水水位达6m高程时的满水工况2较无水工 况1的频率值略低。
表2：实施例1输水管线前10阶振动频率
实施例3：利用本发明对某沉淀池结构进行有限元自动化建模和模态分析， 具体步骤为：
S1：建立沉淀池结构有限元模型。沉淀池纵向长度112.1m，水面净宽18.1m， 分为A、B及C三区，A区设计最高水位为4.5m，B、C区设计最高水位为3.4m， 混凝土为C40，岩层为粉质粘土和卵石土。由ANSYS前处理程序输入材料的质 量密度、弹性模量和泊松比等，用solid65单元模拟结构，solid185单元模拟岩层， mass21单元模拟附加流体质量，建立实体模型并mesh网格，见图6。
S2：自动化计算蓄水结构临水面离散点处的附加流体质量影响系数β。执行 do循环命令流及if判断语句，获得离散节点中各分区最低水位高程坐标T和最 大蓄水高度H，其中HA＝4.5m，HB(C)＝3.4m；由B/H＞3且采用if判断语句， 自动计算β＝1.0。
S3：自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)。执行do循环命令，确定各 节点的附属面积area(i)和水位深度z(i)，自动计算节点i附属面积内的附加 质量，即
S4：自动化施加由mass21质量单元模拟的附加流体。针对i节点，指定附 加单元类型为mass21。针对侧板与底板临水面，分别施加水平向与铅直向附加 质量参数p(i)；完成do循环，在全部离散节点处生成新质量单元。
S5：采用ANSYS瞬态动力分析法对结构进行时间历程分析。对结构施加300 步共计6秒Elcentro时程波开展动力时程分析，并由ANSYS后处理功能提取结 构关键时间点应力云图和关键节点的应力时程图，评价结构的安全性能，见图7、 图8、图9和图10。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理 解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发 明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据结构尺寸及材性指标，建立多维尺度变化下的蓄水结构有限元模型；
S2：在蓄水结构临水面处建立离散节点集合，根据Westergaard提出的流体附加质量计算模型，考虑流体域宽度及深度对附加质量的影响，加载基于APDL语言的自编程序，自动化计算各离散点处附加质量的影响系数β；
S3：在离散节点集合中，考虑流体域深度和纵深向长度对附加质量数值的影响，加载基于APDL语言的自编程序，自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)；
S4：在离散节点集合中，加载基于APDL语言的自编程序，自动化施加由mass21质量单元模拟的附加流体；
S5：采用ANSYS模态分析法及瞬态动力分析法，对结构进行考虑动水作用下的振动形态分析及受力和变形时间历程分析。
2.如权利要求1所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于，所述步骤S1中，由结构及材性特点，确定基本建模参数，建立蓄水结构实体有限元模型，所述基本建模参数包括单元类型、材料属性、单元网格形状和单元大小。
3.根据权利要求1所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用由Westergaard提出的附加质量计算式考虑动水压力对结构的作用；结构临水面处单位面积内的动水附加质量由进行计算；其中，p(z)为距离水面高度为z处的单位面积内附加质量；β为有限宽度流域时附加质量的折减系数；γw为流体密度，单位为kg/m3；H为蓄水结构内流体深度，单位为m；z为计算点到水面的垂直距离，单位为m。
4.根据权利要求3所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S2是通过APDL语言的自编程序进行自动化计算。
5.根据权利要求1所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S3中，考虑流体域深度和纵深向长度的影响，自动化计算各离散点的动水附加质量p(i)，具体步骤为：由get命令得到离散节点最大编号npmax，从加载步1到nmax实施do循环，对应第i循环步，由anode命令寻找第i个节点的附属面积area(i)，由z(i)＝水面高程-wn2(i)，确定各计算节点到水面的垂直距离，根据公式(1)获得i节点附属面积内的附加质量，即其中area(i)为第i个节点的附属面积。
6.根据权利要求1所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S4中，自动化施加由mass21质量单元模拟的附加流体，具体步骤为：针对i节点，确定附加单元类型为mass21，实常数为附加质量p(i)；质量单元方向需与流体作用方向相吻合，若临水面为与水平面交角为θ，需将p(i)分解成沿水平向和铅直向的附加质量参数p(i)sinθ与p(i)cosθ；完成do循环，在全部离散节点处生成新质量单元。
7.根据权利要求1所述的一种考虑流体附加质量多维空间瞬变特性的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S5中，对考虑流域多维空间变化的蓄水结构，可按照模态分析理论确定附加流体对结构振型及振幅的影响，并可采用Newmark显式积分法开展动力时程分析，获取结构的应力及变形结果。
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