1、关于混合模型的超大规模隧道结构非线性动态有限元分析的思考【摘要】基于传统子模型的方法存在着许多缺陷和不足，混合模型的方法应运而生。混合模型又称过程开发模型，是将多种不同的模型组合在一起，形成混合模型，促进项目能朝着最佳的线路发展。本文主要介绍了构建混合模型的主要方法和计算混合模型的主要方法，以供相关人士参考使用。 【关键词】混合模型;超大规模隧道结构;非线性动态;有限元分析;思考 中图分类号：O572.25 文献标识码： A 前言 混合模型是把局部的结构模型融入到整体的、混合的结构模型中去，促使局部结构能够同整体结构一起实施同步分析。混合模型不仅考虑到了局部的详细结构，而且还确保整体结构的有限
2、元存在于计算机能够充分计算的范围内。由于混合模型的局部结构与整体结构是同步进行分析的，也可以不用将其局部结构进行分离，而且局部结构的边界条件也可以不用实施差值处理，因此混合模型不仅使多工况结构计算的方法变得更加简单，而且还使计算的结果更加精确。 2构建混合模型的主要方法分析 适用于超大规模隧道结构的混合模型建模方法主要表现为以下几种：第一，建立超大规模隧道局部设计结构的精细模型。作为分析和了解超大规模隧道局部设计结构的响应作用力的基础，超大规模隧道局部设计结构的精细模型主要是以超大规模隧道结构设计图纸为基础，根据设计的管片结构尺寸建立管片结构几何模型，并在此基础上建立管片结构精细模型的三维有限
3、元形式。接着再把每一个管片结构装配成为环，再将环装配成为段1。而装配建模的过程中需要充分考虑到管片和管片之间、管片和密封袋之间的接触关系，以及螺栓预紧力对装配建模的影响。 第二，建立超大规模隧道局部设计结构的等效模型。超大规模隧道局部设计结构的等效模型被认为是超大规模隧道局部设计结构的精细模型在同样的载荷下表现出来的等效简化模型，是由材质和厚度都十分均匀的有限元板壳模型。其外径尺寸与内径尺寸都同精细模型一致，若是对同样长度的超大规模隧道进行模拟，精细模型的单元数量会比等效模型大很多。超大规模隧道局部设计结构等效模型时可以通过对加载试验进行仿真而得到计算参数。在加载试验的仿真过程中，将精细数字模
4、型装配形成的轴线作为直线隧道，再根据超大规模隧道结构承受的载荷类型通过相应的压、拉、弯等方式进行加载试验2。此外，长度相同的板壳结构同样需要进行加载试验，通过对板壳结构的材料参数和单元厚度进行必要的优化，促使两种不一样的超大规模隧道模型结构在同样的载荷背景下能够使响应差别最少。以这样的方式得到的超大规模隧道结构的简化模型就是一种精细模型的等效模型。 第三，建立超大规模隧道整体设计结构的等效模型。超大规模隧道整体设计结构的等效模型是根据局部设计结构的等效模型进行扩展和延伸发展得来的。严格按照超大规模隧道整体轴线规律建立板壳的等效有限元模型，再根据对超大规模隧道沿线的土体进行实际勘探，构建土体及其
5、他隧道结构的三维有限元精细实体模型和耦合三维动态关系。再对通过对超大规模隧道整体设计结构的等效模型数值进行仿真，不仅可以准确掌握隧道输水管线的变化规律，还可以对可能发生危险的断面位置进行预测和分析。 第四，建立超大规模隧道整体设计结构的混合模型。在超大规模隧道比较危险的地区可以采取局部设计结构的精细模型取代局部设计结构等效模型的方式，形成超大规模隧道整体设计结构的混合模型。其关键区域应该选用三维有限元精细实体模型，其他的区域则可以选用有限元板壳等效模型。再通过对超大规模隧道整体设计结构的混合模型进行整体的重新仿真，其连接处就也许会出现计算误差，而离交界面的距离越来越远，其计算结果会越精准。可见
6、，在对超大规模隧道结构关键面结构的相应进行考察时，应该对其精细段长度进行适当的增加，再对中间断面进行必要的研究和分析。此外，由于超大规模隧道局部设计结构的精细模型具有网格密、管片接触复杂等特点，因此使精细段的长度加大，能够有效增加计算时间。 计算混合模型的主要方法 计算混合模型的方法主要包括显式精细积分算法、混合模型的有限元接触算法、时间步计算方法和并行计算方法3。第一，显式精细积分算法。科学合理的计算方法是确保超大规模隧道结构有限元分析的仿真计算能够顺利实施的关键性条件，而显式精细积分算法是一种适用于研究超大规模隧道结构非线性动力问题的方法，具有处理边界条件简单、内存占用量少的特点。由于集中
7、质量矩阵可以不用组合成为总体矩阵，因此不仅可以在很大程度上节省求解时间与储存空间，还能够利用并行计算机多 CPU 的特点进行方便快捷的求解。 第二，混合模型的有限元接触算法。因为必须要同时获得超大规模隧道的局部与宏观响应规律，因此在划分混合模型的有限元网络时，就会产生两种尺寸悬殊非常大的网络。因此，混合模型的技术精确与否的关键性条件就可以表现在怎样构建不同网络的精细度间连接关系方面。基于混合模型中的精细管片与等效管片存在着一定衔接方面的问题，可以合理选用固连接触面的方法，从而防止了在具有不同的精细度网格之间划分过渡网格的情况出现。而在计算混合模型的有限元接触时，人们将网格相对比较稀疏的那个接触
8、面称作主面，并把网格的尺寸相对较小的那个接触面称作从面。在每一个时间步的计算过程中，从节点的节点质量与节点力则会被分配到相邻那个主面的主节点位置。当从面上从节点的分配工作和加和操作已经完成后，就可以利用节点质量与节点力来计算此时主节点的加速度，再在主节点加速度的基础上通过插值法计算出从节点在此刻的加速度。 第三，时间步计算方法。由于混合模型的时间步主要是受最小单元的尺寸控制，因此，超大规模隧道整体设计结构的混合模型最小尺寸的单元会在关键断面精细模型结构中出现，而超大规模隧道整体设计结构混合模型的时间步计算则主要由精细结构最小单元的尺寸决定4。若时间步太小，就会减慢计算速度，因此可以采用相应的方
9、法使时间步加大，质量缩放法则成为最佳选择。在超大规模隧道结构的有限元计算过程中，有许多动能都处于低频范围内，只有很少的一部分能量是处于高频范围内的。然而，在有限元的分析计算过程中，高频计算对时间步大小起着限制性作用。因此采用加大质量矩阵实现增加时间步的方法能够加快计算的速度，且不会对整体计算结构造成影响。 第四，并行计算方法。超大规模隧道结构的有限元仿真应采取并行计算方法，实现仿真计算的有效进行5。在进行并行就算的过程中，应根据相关原则分割整体混合模型，将其分为多个子系统，再利用不同处理器分别并行计算所有的子系统，再进行处理期间的数据交换。这样的并行计算方法能够在很大程度上提高仿真效率和仿真速
10、度。 结束语 混合模型的超大规模隧道结构的有限元仿真需要采取合理的建模方法和计算方法。通过对超大规模隧道结构进行一系列的整体仿真计算，既可以得到超大规模隧道结构的宏观响应规律，也可以仔细分析其关键部位，从而达到微观与宏观之间的和谐统一，具有显著的价值。 【参考文献】 1杨颜志,金先龙,顾赟,乔宗昭,杨志豪.混合模型方法在超大规模疏水隧道中的应用J.上海交通大学学报,2011,45(04):534-538. 2余建星,晋文超,杜尊峰,周宝勇.基于非线性动态可靠性的隧洞结构安全寿命评估J.天津大学学报,2011,44(08):712-718. 3樊小发,夏磊,褚丽.CCS 水电站配水环管结构非线性有限元分析J.人民黄河,2013,11(11):111-112. 4任喜平,武志刚,李晓刚,付少杰.羊曲水电站导流洞衬砌结构非线性有限元分析J.人民黄河,2013,09(09):116-118. 5翁依柳,金先龙,顾赟,杨志豪.基于混合模型的超大规模隧道结构非线性动态有限元分析J.振动与冲击,2011,30(07):157-163.
