考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统及方法，分析系统包括基于

【技术实现步骤摘要】
考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统及方法


[0001]本专利技术涉及数值仿真
，具体为考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统及方法
。

技术介绍

[0002]对于大体积混凝土结构
、
坝体结构
、
边坡结构及沥青路面结构而言，其构成材料是非常复杂的工程材料，如水泥混凝土
、
岩石
、
土体以及沥青混合料
。
实际上，这类工程材料本身的物理力学性质具有随机性强
、
变异性大的特点，此外施工质量的不均匀性会导致材料参数在空间分布的变异性，研究表明这种空间分布的变异性并不是纯随机的，而是具有随机性与结构性特征，应该将其作为一个空间随机场
。
[0003]目前，数值有限元法是计算大体积的混凝土结构
、
坝体结构
、
边坡结构及沥青路面结构变形的有效手段
。
在常规的有限元计算过程中通常采用唯一
、
确定的材料参数进行结构变形模拟，使得结构变形过程无法反映出工程实际而造成实测值与计算值存在误差
。
近年来，国内外专家学者已经在数值有限元计算中考虑材料参数空间变异性对结构变形的影响
。
考虑参数空间变异性的理论可分为随机变量理论和随机场理论
。
相比于随机变量理论，随机场理论考虑了材料力学参数空间上的相互作用，能够很好地描述材料的空间变异性，因此将随机场理论与有限元计算相结合形成的随机有限元方法，可以使得数值模拟结果更加精确，该方法被广泛地应用于边坡可靠性分析
、
土石坝变形分析
、
路面力学响应分析以及隧道变形分析等
。
[0004]然而，在利用随机场理论来考察材料参数空间变异性对结构的影响时，通常需要进行上百次甚至千次的有限元计算，而采用常规的系统则需要根据随机场理论获取的满足空间变异性的材料参数来逐个建立有限元模型
、
进行数值分析计算并提取计算结果等，该方法自动化程度不高，需要手动操作的步骤较多，不仅耗时长，效率低，而且容易出现纰漏，因此，如何快速
、
准确
、
高效的完成数值分析成为随机有限元亟须解决的问题
。
[0005]与现有技术对比如下：
[0006]与专利
CN113408177A、CN113408177B“一种岩土体随机场构建方法及系统”的技术对比
[0007]专利
CN113408177A
和
CN113408177B
中提供了一种岩土体随机场构建方法及系统，该专利技术介绍了岩土材料参数随机场的建立方法以及相对应的有限元模型的建立方法，而没有实现多个随机场在有限元软件中的自动化分析；而本专利技术基于系统平台实现了从随机场有限元建模
、
有限元元分析以及结果数据后分析的自动化
。
[0008]与专利
CN115577649A“一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法”的技术对比
[0009]专利
CN115577649A
中提供了考虑土体参数随机场其渗流的影响，该专利技术提供了随机有限元模型的建立方法，并给出了多个随机场有限元模型的批量处理方式，但是该专利技术并没有给出参数随机场离散结果自动替换均值模型中参数的方法，从而使得多个随机有限
元模型的自动化分析受到限制；而本专利技术开发了自动分析系统，该系统给出了随机场离散结果与有限元模型参数之间的替换方法，能够自动完成参数随机场离散结果自动替换，并且自动生成
ABAQUS
输入文件，从而自动完成有限元分析和结果处理，实现多个随机场的有限元模拟
。
[0010]与专利
CN115577440A、CN115577440B“一种基于贝叶斯的盾构隧道掌子面失稳预警方法及系统”的技术对比
[0011]专利
CN115577440A
和
CN115577440B
提供了参数随机场和随机场有限元模型的建立方法，但并未给出实现多个随机模型的自动化分析的方法；而本专利技术实现了多个随机模型的自动化分析
。
[0012]与专利
CN116227309A、CN116227309B“融合多源数据的盾构掘进数字孪生地层构建方法及系统”的技术对比
[0013]专利
CN116227309A
和
CN116227309B
提供了考虑岩土参数空间自相关性模型，并建立了对应的有限元模型，并对模型单元的力学参数进行自动赋值，进而对盾构施工底层变形进行力学分析，但是该专利技术系统并未阐明随机场离散结果与有限元模型参数的自动赋值实现方法；而本专利技术给出了实现随机场离散结果与有限元模型参数之间的替换的方法，能够自动完成参数随机场离散结果自动赋值，并且实现有限元模型构建
、
随机场模拟
、
随机有限元分析及数据后处理的自动化
。

技术实现思路

[0014]为解决上述技术问题，本专利技术提出了考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统及方法，依托
Python
语言将
MATLAB
软件和
ABAQUS
软件结合起来，使得有限元模型构建
、
随机场模拟
、
随机有限元分析及数据后处理有序进行，并实现批量自动化运算，从而实现高效
、
精确的数值分析
。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0016]考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统，其特征在于，包括基于
Python
语言开发的系统平台
、
基于
ABAQUS
软件的前处理模块
、
基于
MATLAB
软件的随机场模拟模块以及基于
ABAQUS
软件的有限元分析模块；
[0017]所述系统平台采用
Python
语言进行编程，实现
MATLAB
软件
、ABAQUS
软件的自动调用以及
m
次随机有限元模型的一键批处理自动分析；
[0018]所述前处理模块是通过在系统平台输入材料参数的均值，在
ABAQUS
软件内建立均质材料的有限元模型，得到自动生成的“.inp”为后缀的输入文件；
[0019]所述随机场模拟模块通过在系统平台输入材料参数的均值和变异系数，基于
MATLAB
软件编写程序，自动从前处理模块中的“.inp”输入文件中读取有限元网格信息，继而根据网格信息和随机场离散方法，通过编写
MATLAB
软件代码建立相应的随机场网格模型，实现
m
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统，其特征在于，包括基于
Python
语言开发的系统平台
、
基于
ABAQUS
软件的前处理模块
、
基于
MATLAB
软件的随机场模拟模块以及基于
ABAQUS
软件的有限元分析模块；所述系统平台采用
Python
语言进行编程，实现
MATLAB
软件
、ABAQUS
软件的自动调用以及
m
次随机有限元模型的一键批处理自动分析；所述前处理模块是通过在系统平台输入材料参数的均值，在
ABAQUS
软件内建立均质材料的有限元模型，得到自动生成的“.inp”为后缀的输入文件；所述随机场模拟模块通过在系统平台输入材料参数的均值和变异系数，基于
MATLAB
软件编写程序，自动从前处理模块中的“.inp”输入文件中读取有限元网格信息，继而根据网格信息和随机场离散方法，通过编写
MATLAB
软件代码建立相应的随机场网格模型，实现
m
个随机场的离散；所述有限元分析模块是系统平台将随机场离散数据替代前处理模块中的“.inp”输入文件中的均值材料属性，形成新的
ABAQUS
软件“.inp”输入文件，继而系统平台将调用
ABAQUS
软件，自动读取新的“.inp”输入文件并进行有限元计算，
ABAQUS
软件将自动生成“.odb”为后缀的有限元分析结果文件，所述系统平台采用
Python
语言实现从
ABAQUS
软件中“.odb”为后缀的有限元分析结果文件中读取有限元分析结果至
EXCEL
表格中相应的区域
。2.
根据权利要求1所述的考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统，其特征在于：所述的随机场模拟模块中的随机场离散方法为协方差矩阵分解法或
Karhunen
‑
Loeve
级数展开法或局部平均法或谱表现法
。3.
根据权利要求1所述的考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统，其特征在于：所述的系统平台将进行
m
个随机场的循环有限元分析，从而实现
m
次随机有限元分析，得到
m
个“.odb”为后缀的有限元分析结果文件
。4.
根据权利要求1所述的考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统，其特征在于：所述的系统平台采用
Python
语言实现从
ABAQUS
软件中的
m
个“.odb”为后缀的有限元分析结果文件中读取有限元分析结果至
EXCEL...

【专利技术属性】
技术研发人员：张启鹏，顾兴宇，颜世傲，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：