结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结构‑土‑结构体系三维参数化数值建模分析方法及系统，将结构‑土‑结构模型简化为地表结构、地下结构和土体；将模型几何尺寸进行参数化归纳，实现几何尺寸转化为参数变量；将地表结构位置进行参数化归纳，实现地上结构空间位置转化为参数化变量；将地下结构位置进行参数化归纳，实现地下结构空间位置转化为参数化变量；设定地表结构楼层高度及数量转化为参数化变量；通过python语言建立结构‑土‑结构模型的ABAQUS有限元分析模型；将该程序嵌套入ABAQUS，通过GUI开发实现可视化建模操作。本发明专利技术通过GUI操作便可实现批量建模，快速建模，通过本发明专利技术可节省大量建模消耗的人力资源及时间成本。

【技术实现步骤摘要】
结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法及系统
本专利技术属于地表结构-土-地下结构、地表结构-土和地下结构-土相互作用体系的计算机辅助设计领域，更具体地，涉及一种结构-土-结构的有限元自动数值建模分析方法及系统。
技术介绍
近年来随着城市化进程的加速推进，越来越多的城市地下空间资源被利用，并伴随着距离相近的地表结构与地下结构工程增多，地表结构、土体以及地下结构构成的相互作用体系也越来越复杂，因此相互作用效应不应被忽视。为了研究结构-土-结构相互作用体系地震响应，国内外学者对该作用体系开展了广泛研究，包括室内外试验、理论分析研究和数值分析研究。利用有限元数值分析方法对结构-土-结构相互作用体系地震响应进行分析研究，已经取得了很多的成果，但同时，也存在一些不足。当前的研究方法要么采用建立二维有限元模型，无法全面考虑相对位置对体系地震响应的影响；要么建立三维有限元模型，采用梁单元建立地表结构和地下结构部件，无法观测到结构局部细节的地震响应；且大多数研究者只针对具体的单个案例进行研究，所得到的规律缺乏一般性，且考虑因素单一。究其原因是结构-土-结构相互作用体系模型较大，结构复杂，采用实体单元进行三维有限元分析非常耗时，工作量大，特别是对模型进行规律性分析时，需要建立大量的模型，因而在实际的研究设计中很少使用且较难应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法及系统，由此解决在对结构-土-结构模型进行仿真分析时，由于采用实体单元进行三维有限元分析而造成的耗时长以及工作量大的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法，包括：将结构-土-结构模型简化为地表结构模型、地下结构模型和土体模型；将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，以使所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型标准化；在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型；在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型；对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行截面剖分、网格划分以及边界条件设置后进行分析。优选地，所述将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，包括：将地表结构的楼板厚度、楼层高度、楼层数量、立柱截面尺寸、立柱位置、桩截面尺寸和桩长转化为模型参数，以确定地表结构的几何尺寸，使所述地表结构模型标准化；将地下结构的内部空间尺寸转化为模型参数，以确定地下结构的几何尺寸，使所述地下结构模型标准化。优选地，所述在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型，包括：在标准化后的地表结构模型中，以地表结构底板下表面中心作为参考点，将地表结构的空间坐标转化为模型参数，以确定地表结构在土体表面的位置，同时，根据所述地表结构在土体表面的位置，将桩与相应的土体进行Embedded连接，实现地表结构在土体表面位置的确定以及自动完成桩和土体的绑定。优选地，所述在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型，包括：在标准化后的地下结构模型中，以地下结构上表面中心作为参考点，将地下结构的空间坐标转化为模型参数，以确定地下结构在土体中的位置，并挖去相应的地下结构土体，同时将地下结构与四周土体进行Tie连接，实现地下结构在土体内部空间位置的确定并自动完成地下结构与土体的绑定。优选地，所述对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行截面剖分，包括：所述标准化后的土体模型以地表结构的地板尺寸和地下结构的外部几何尺寸作为剖分参考位置，进而对土体进行剖分；所述目标地表结构模型以楼板、立柱和地板相交接的位置作为参考，对地表结构进行剖分；所述目标地下结构模型依据地下结构的内部结构形式进行剖分。优选地，所述对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行网格划分，包括：依据截面剖分的形式，分别对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型中的各结构部件进行网格种子点的布置，在网格种子点布置时考虑每个剖分出的截面上种子数量的均匀性，然后依据已经布置好的种子，对各结构部件进行网格划分。优选地，所述方法还包括：将模型建立的操作过程形成目标文件，并使所述目标文件能够在ABAQUS有限元分析软件中自动建模；使用ABAQUSGUI工具包创建控键框，将所述目标文件嵌套入ABAQUS，创建参数化过程中所需要的按钮控件和文本控件，通过所述按钮控件和文本控件收集参数并发送指令，实现可视化的建模操作，使得只需要输入参数化变量即可自动快速生成结构-土-结构体系有限元模型。优选地，将土体四周设置为滚轴边界。按照本专利技术的另一方面，提供了一种结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析系统，包括：模型简化模块，用于将结构-土-结构模型简化为地表结构模型、地下结构模型和土体模型；参数化模块，用于将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，以使所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型标准化；第一模型构建模块，用于在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型；第二模型构建模块，用于在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型；分析模块，用于对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行截面剖分、网格划分以及边界条件设置后进行分析。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术能够精准确定地表结构、土和地下结构的相对位置，地表结构的楼层层数，地表结构的数量，桩基础的长度及土体的尺寸大小；(2)本专利技术能够快速对建立好的模型进行部件的剖分，对网格种子合理的布置及对模型网格的快速划分；(3)本专利技术能够自动对模型进行边界条件的设置，自动建立地下结构与土体的连接，自动建立地表结构和土体的连接。(4)本专利技术的建模过程简单，大大节约了研究人员的建模时间。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于结构-土-结构体系三维参数化数值建模的结构-土-结构三维有限元模型透视图；图3为本专利技术实施例提供的一种部件几何有限元模型及网格划分图；图4为本专利技术实施例提供的一种桩基础与土体，地下结构与土体接触图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为地表结构，2为桩基础，3为土体，4为地下结构，5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构‑土‑结构体系三维参数化数值建模分析方法，其特征在于，包括：将结构‑土‑结构模型简化为地表结构模型、地下结构模型和土体模型；将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，以使所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型标准化；在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型；在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型；对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行截面剖分、网格划分以及边界条件设置后进行分析。

【技术特征摘要】
1.一种结构-土-结构体系三维参数化数值建模分析方法，其特征在于，包括：将结构-土-结构模型简化为地表结构模型、地下结构模型和土体模型；将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，以使所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型标准化；在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型；在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型；对所述目标地表结构模型、标准化后的土体模型以及所述目标地下结构模型进行截面剖分、网格划分以及边界条件设置后进行分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述地表结构模型、地下结构模型和土体模型的几何尺寸进行参数化归纳，完成几何尺寸的转化，包括：将地表结构的楼板厚度、楼层高度、楼层数量、立柱截面尺寸、立柱位置、桩截面尺寸和桩长转化为模型参数，以确定地表结构的几何尺寸，使所述地表结构模型标准化；将地下结构的内部空间尺寸转化为模型参数，以确定地下结构的几何尺寸，使所述地下结构模型标准化。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在标准化后的地表结构模型中，确定地表结构在土体表面的位置，并根据所述地表结构在土地表面的位置将桩与相应的土体进行连接，得到目标地表结构模型，包括：在标准化后的地表结构模型中，以地表结构底板下表面中心作为参考点，将地表结构的空间坐标转化为模型参数，以确定地表结构在土体表面的位置，同时，根据所述地表结构在土体表面的位置，将桩与相应的土体进行Embedded连接，实现地表结构在土体表面位置的确定以及自动完成桩和土体的绑定。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在标准化后的地下结构模型中，确定地下结构在土体中的位置，并根据所述地下结构在土体中的位置实现地下结构与土体的连接，得到目标地下结构模型，包括：在标准化后的地下结构模型中，以地下结构上表面中心作为参考点，将地下结构的空间坐标转化为模型参数，以确定地下结构在土体中的位置，并挖去相应的地下结构土体，同时将地下结构与四周土体进行Tie连接，实现地下结构在土体内部空间位置的确定并自动完成地下结构与土体的绑定。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗雨，阮滨，姚二雷，钟逸，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42