code_aster & SALOME_MECA:抗震预测

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1.软件介绍

SALOME_MECA是一个具有用户友好图形界面的开源软件，它在SALOME数值模拟平台中集成了code_aster有限元计算程序，是由法国电力公司研发部开发的计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）软件，可以用来研究线性、非线性问题，作动、静态的热、力耦合结构分析。其中，code_aster是一个独立的热、力耦合有限元计算程序，它采用文本的方式处理研究数据，没有单独的图形用户界面进行CAD建模，也不能进行炫丽的模拟后处理，这些可视化的图形操作功能是通过集成在数值模拟综合平台SALOME上实现的。

2.案例介绍

水坝发生地震时，由于地震惯性力突然增加，水库大坝在内部（坝体结构本身）与外部（库水的动水压力）各种作用力的作用下，大坝坝体将发生变形、坝基也将产生相对位移或不同期位移。土坝可能产生的主要损坏有：裂缝、滑坡、防浪墙与混凝土建筑物的破坏等。在水库水位较高的情况下，如果不及时抢护，短时间内就会发生溃坝，造成巨大损失。因此，掌握地震时水坝的压力分布，对于评估水坝安全性、防止塌坝等灾害的发生具有重大意义。

3.模拟过程：

常规的模拟方法是将流体压力计算入水坝的等效质量中，同时将与水坝接触的土地视为刚性物体，不考虑大地在地震时的位移。这样计算方法简单，但结果往往较实际偏差较大。在本文中，我们利用SALOME_MECA，采取边界元与有限元耦合法，考虑流体、水坝、土地之间的相互作用，模拟地震时三者的动态变化、水坝压力分布情况，并用实验取得的数据对比模拟结果，可以看出新型算法的模拟曲线很好的贴合了实际曲线，也再次检验了SALOME_MECA强大而准确的数值模拟能力。

建模几何示意图

建模网格示意图

4.模拟结果展示

模拟结果如下图所示，蓝色为模拟曲线，红色为实际曲线。可以看到，常规算法的曲线在4到6赫兹区间时偏差很大，而新型算法的曲线始终保持与实际曲线较好的贴合度，结果更为真实、准确。

图一常规算法与实际曲线对比

图二新型算法与实际曲线对比

将模拟的震时水坝最大承压值（图中红色部分）与水坝极限承压值相比较，即可预测地震时水坝的安全性，并为水坝的设计、改造提供理论依据。由下图可知，使用常规算法，地震时水坝承压值最大增加1.4兆帕，而新型算法算得只会增加0.57兆帕。因此使用常规法模拟并设计水坝时，对水坝的承压能力要求过高，虽然保证水坝的安全性，但无疑增加了不必要的材料费用。使用结果更为准确的新型算法则可以在安全的前提下节省成本，提供更为合理的设计依据。