基于abaqus的sbfem及其在混凝土坝非线性地震响应分析中的应用
零概述 壹基于abaqus的sbfem 采用abaqus提供的uel和uexternaldb子程序二次开发平台将sbfem嵌入到abaqus中，其中子程序uel用于实现sbfem中关键矩阵的计算，包括amartix、rhs等等，下面是基于sbfem的uel子程序流程图 子程序uexternaldb用于将任意多面体单元以外部文件的形式导入进abaqus中，下面展示的是2个任意多面体的单元-节点信息 上述的单元-节点信息无法仅仅从节点顺序重现单元的几何拓扑关系，因此需要准备外部txt文件将上述单元-节点信息导入到abaqus中，下面的数据是上面2个单元的信息 采用Fortran程序编写完成uel之后，还需要在inp文件中定义用户自定义单元，目前的abaqus只支持手动修改，对于上述单元，在inp文件中对应的关键字为 贰耦合sbfem-fem abaqus有许许多多的非线性模型，比如材料模型和界面模型，因此发展一种耦合方法，将用户自定义单元与abaqus自带的非线性模型相结合，以便同时发挥abaqus和用户自定义单元的优势，下面简要介绍两种耦合算法。首先是将自定义单元与abaqus的接触非线性模型结合，需要在用于自定义单元的界面进行处理，如 其对应的公式为 如果要对用户自定义单元进行可视化，需要在原有的自定义单元基础上再嵌套一层abaqus自带的单元，并将自带单元的材料属性设置为无限小，如 肆悬臂梁受动荷载 设计悬臂梁受动荷载算例，验证子程序求解刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵的正确性，模型的边界条件和受荷载为 荷载表达式为 采用三种单元对该几何模型进行离散，三种单元分别为六面体单元 四面体单元 棱柱体单元 统计悬臂端关键点的位移等数据，最终计算的结果基本一致。 伍koyna混凝土坝地震响应分析 以koyna混凝土重力坝为研究对象，将文章提出的方法应用到实际工程的地震响应分析，koyna混凝土坝的截面为 采用两种单元对该模型进行离散，分别为六面体单元 棱柱体单元 对上述网格设置三个计算工况分别为case1：六面体单元+fem计算case2：六面体单元+sbfem计算case3：棱柱体单元+sbfem计算 首先对上述计算模型进行自振频率分析，统计前20阶自振频率数值对比为 可以发现自振频率分析计算结果保持一致。然后对koyna混凝土坝进行地震动力响应分析，提取了坝顶-坝锺的相对数据，分别为竖直相对位移 水平相对位移 竖直相对速度 水平相对速度 计算结果均保持一致。计算时长比较为 可以发现sbfem的计算时长均比fem有缩短，其中case3的计算时长缩短最明显，说明棱柱体单元有较好的计算性能。陆NG5拱坝地震响应分析 选取NG5拱坝为研究对象，考虑坝体横缝接触非线性与土-结构动力相互作用模型，探究文章提出的方法在拱坝地震响应分析中的作用。NG5拱坝的平面布置图及其横缝为 坝体-地基-库水的几何模型为 采用六面体单元离散几何模型，最终的计算模型为 对上述计算模型设置三种计算工况 土-结构动力相互作用采用黏弹性边界模拟，黏弹性边界是计算模型边界节点上一系列的弹簧-阻尼器元件 坝体横缝接触非线性采用abaqus自带的指数接触模型 输入地震动的位移和速度为 坝体横缝附近的关键点为 首先统计了坝体横的开度时程曲线 统计了关键点的动水压力时程曲线，c点数据为 d点数据为 e点数据为 统计了15s时刻坝面的动水压力云图 结合以上数据，可以发现，考虑了土-结构动力相互作用以后，混凝土坝整体的响应，包括相对位移、横缝开度和坝面动水压力等数据都有不同程度的降幅，说明了土-结构动力相互作用在混凝土坝抗震计算中应予以重点考虑。柒结论 The scaled boundary finite element method (SBFEM) is implemented in the ABAQUS through the user subroutine interface. With the coupled SBFEM and standard finite element method (FEM), the dynamic interaction model of concrete dam – reservoir – foundation considering the geometrical nonlinearity of transverse joints is established using the viscous – spring absorbing boundary conditions. The overlaying element technique is applied to define the contact interface of transverse joints. The dynamic characteristics and linear seismic response of the Koyna gravity dam have been analyzed using polyhedral elements. Finally, nonlinear seismic analysis of the NG5 arch dam has been conducted. The following conclusions can be drawn:(1) According to several benchmark examples, the proposed method has good accuracy and efficiency. (2) The overlaying element technique, which does not require the introduction of extra DOFs, completes the combination of the SBFEM with the built-in elements, models, and other functions of ABAQUS. (3) Based on the coupled SBFEM-FEM, the dynamic interaction model of dam, reservoir and foundation, the nonlinearity of joint contact, and the seismic input can be fully considered. The calculated results are consistent with those of ABAQUS built-in elements with a high computational efficiency. It will provide a novel method for the dynamic analysis of complex engineering structures. 来源：有限元先生
