大型地震模拟振动台基础建模及参振质量有限元计算方法

1.本发明涉及动力机器基础设计与振动控制技术领域，特别涉及一种大型地震模拟振动台基础建模及参振质量有限元计算方法。


背景技术：

2.目前我国动力机器基础设计采用《动力机器基础设计标准》gb50040提出的质-阻-弹理论体系。该体系将基础假设为仅有质量的无弹性刚体，地基假设为无质量的弹簧并起阻尼器的作用。然而，国内外已建或在建大型地震模拟振动台动力机器基础体量较大(如日本e-defense振动台基础和天津大学在建振动台基础)，构造形式复杂(内部常分为多层且局部部分挖空)，实际振动台运行时，基础各部分并未完全同步振动，无法将基础整体视为简单的刚体忽略基础本身的变形。若采用质-阻-弹模型进行基础设计和计算已知外荷载作用下的振动响应，必定会造成较大误差，将基础考虑为弹性体建模并考虑基础各部分的参振质量会更为改善基础设计的动力计算精度。鉴于此问题的复杂性，至今尚无相关成熟或得到业内普遍认可的大型地震模拟振动台基础建模方法及参振质量计算方法。


技术实现要素：

3.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种大型地震模拟振动台基础建模及参振质量有限元计算方法。
4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种大型地震模拟振动台基础建模方法，在模型中，将振动台基础划分为刚体部分和弹性体部分；设刚体部分质量为m0，加速度为a0；将弹性体部分划分为n个弹性单元体，设：第i个弹性单元体，其质量为mi，其加速度为ai，其刚度为ki，其阻尼系数为ci，i＝1,2,3,
…
n；设弹性单元体通过阻尼弹簧依次相连。
5.本发明还提供了一种利用上述的大型地震模拟振动台基础建模方法的大型地震模拟振动台基础参振质量有限元计算方法，该方法包括以下步骤：
6.步骤一，根据振动台基础设计参数和周围土体参数，将振动台基础与周围土体划分为基础刚体区域、基础弹性体区域和周围土体弹性体区域；设基础刚体区域为ω0，设基础弹性体区域为ω1，设周围土体弹性体区域为ω2；建立包括ω0、ω1、ω2的有限元分析模型，在ω2外边界施加粘弹性边界；
7.步骤二，利用有限元分析软件对振动台基础进行模态分析，将振动台基础加载方向基频作为工作荷载下的加载频率；根据振动台加载特性在对应加载方向作动器表面施加等效均布荷载；
8.步骤三，由施加荷载得到每个有限单元的加速度值，进一步计算振动台基础参振质量。
9.进一步地，步骤一中，首先根据基础设计方案建立振动台基础模型并确定材料参数，根据地勘和室内土工试验结果确定地基土材料参数并简化分层；然后根据精度要求确
定单元尺寸并进行网格划分，选取合适的单元类型；最后选取合适的人工边界，建立基础-地基土整体有限元分析模型。
10.进一步地，步骤三中，令振动台基础参振质量为刚体部分质量与弹性体部分质量之和，则振动台基础参振质量由下式求得：
11.m＝m0+ms；
[0012][0013]
式中，
[0014]
m为振动台基础参振质量；
[0015]
n为弹性单元体数量；
[0016]ms
为弹性体部分质量。
[0017]
进一步地，利用有限元分析软件初步计算的结果为每个弹性单元体对应节点的峰值加速度，每个弹性单元体的体积和加速度采用excel中的vlookup函数计算；设每个弹性单元体为正方体，正方体的顶点为有限元分析模型中的节点，设第i个弹性单元体对应的8个节点坐标依次为：x
imax
,y
imax
,z
imax
；x
imin
,y
imax
,z
imax
；x
imax
,y
imin
,z
imax
；x
imax
,y
imax
,z
imin
；x
imin
,y
imin
,z
imax
；x
imax
,y
imin
,z
imin
；x
imin
,y
imax
,z
imin
；x
imin
,y
imin
,z
imin
；则其单元体积由(x
imax-x
imin
)
×
(y
imax-y
imin
)
×
(z
imax-z
imin
)求得，其单元加速度由8个节点加速度平均值求得。
[0018]
本发明具有的优点和积极效果是：将基础模型考虑为刚体部分和弹性体部分的结合会提高基础动力计算的精度，减小大型地震模拟振动台基础采用质-阻-弹模型进行基础设计所造成较大误差。为大型地震模拟振动台基础参振质量的理论研究和实际应用均提供了解决方法，为大型地震模拟振动台基础设计提供参考。
附图说明
[0019]
图1是本发明的一种大型地震模拟振动台基础建模方法原理示意图。
[0020]
图2是本发明的一种振动台基础模型结构示意图。
[0021]
图3是图2的a部放大图。
[0022]
图中：
[0023]
m1表示第1个弹性单元体质量；m2表示第2个弹性单元体质量；m
n-1
表示第n-1个弹性单元体质量；mn表示第n个弹性单元体质量。
[0024]
k1表示第1个弹性单元体刚度；k2表示第2个弹性单元体刚度；k
n-1
表示第n-1个弹性单元体刚度；kn表示第n个弹性单元体刚度。
[0025]
c1表示第1个弹性单元体阻尼系数；c2表示第2个弹性单元体阻尼系数；c
n-1
表示第n-1个弹性单元体阻尼系数；cn表示第n个弹性单元体阻尼系数。
[0026]
m0表示振动台基础刚体部分质量；k0表示振动台基础刚体部分刚度；c0表示振动台基础刚体部分阻尼系数。
[0027]
ω0表示基础刚体区域，ω1表示基础弹性体区域为ω1，ω2表示周围土体弹性体区域。
[0028]
pz表示施加荷载；cbt表示黏弹性边界切向阻尼；kbt表示黏弹性边界切向弹簧刚
度；cbn表示黏弹性边界法向阻尼；kbn表示黏弹性边界法向弹簧刚度。
具体实施方式
[0029]
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0030]
请参见图1至图3，一种大型地震模拟振动台基础建模方法。在模型中，将振动台基础划分为刚体部分和弹性体部分；设刚体部分质量为m0，加速度为a0；将弹性体部分划分为n个弹性单元体，设：第i个弹性单元体，其质量为mi，其加速度为ai，其刚度为ki，其阻尼系数为ci，i＝1,2,3,
…
n；设弹性单元体通过阻尼弹簧依次相连。
[0031]
本发明还提供了一种利用上述的大型地震模拟振动台基础建模方法的大型地震模拟振动台基础参振质量有限元计算方法，该方法包括以下步骤：
[0032]
步骤一，根据振动台基础设计参数和周围土体参数，将振动台基础与周围土体划分为基础刚体区域、基础弹性体区域和周围土体弹性体区域；设基础刚体区域为ω0，设基础弹性体区域为ω1，设周围土体弹性体区域为ω2；建立包括ω0、ω1、ω2的有限元分析模型，在ω2外边界施加粘弹性边界；
[0033]
步骤二，利用有限元分析软件对振动台基础进行模态分析，将振动台基础加载方向基频作为工作荷载下的加载频率；根据振动台加载特性在对应加载方向作动器表面施加等效均布荷载；
[0034]
步骤三，由施加荷载得到每个弹性单元体即每个有限单元的加速度值，进一步计算振动台基础参振质量。利用有限元分析软件可以直接计算施加荷载后的振动台基础模型中各个单元加速度。
[0035]
优选地，步骤一中，首先可根据基础设计方案建立振动台基础模型并确定材料参数，可根据地勘和室内土工试验结果确定地基土材料参数并简化分层；然后根据精度要求可确定单元尺寸并进行网格划分，选取合适的单元类型；最后可选取合适的人工边界，建立基础-地基土整体有限元分析模型。
[0036]
优选地，步骤三中，可令振动台基础参振质量为刚体部分质量与弹性体部分质量之和，则振动台基础参振质量可由下式求得：
[0037]
m＝m0+ms；
[0038][0039]
式中，
[0040]
m为振动台基础参振质量；
[0041]
n为弹性单元体数量；
[0042]ms
为弹性体部分质量。
[0043]
优选地，利用有限元分析软件分析的结果为每个弹性单元体对应节点的峰值加速度，每个弹性单元体的体积和加速度可采用excel中的vlookup函数计算；可设每个弹性单元体为正方体，正方体的顶点为有限元分析模型中的节点，可设第i个弹性单元体对应的8个节点坐标依次为：x
imax
,y
imax
,z
imax
；x
imin
,y
imax
,z
imax
；x
imax
,y
imin
,z
imax
；x
imax
,y
imax
,z
imin
；
x
imin
,y
imin
,z
imax
；x
imax
,y
imin
,z
imin
；x
imin
,y
imax
,z
imin
；x
imin
,y
imin
,z
imin
；则其单元体积由(x
imax-x
imin
)
×
(y
imax-y
imin
)
×
(z
imax-z
imin
)求得，其单元加速度由8个节点加速度平均值求得。
[0044]
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作原理：
[0045]
针对基础参振质量的研究，实际振动台运行时，大型地震模拟振动台基础并未完全参与振动，无法将基础整体视为简单的刚体，基础模型需将基础考虑为单个刚体和多个弹性体部分的组合。施加振动激励时，刚体部分振动形式保持一致，多个弹性体部分振动形式各不相同。
[0046]
以竖向振动为例，令刚体部分为m0，弹性体部分为通过弹簧阻尼相连的多质点串联模型，质量分别为m1、m2、
…
、m
n-1
、mn，刚度分别为k1、k2、
…
、k
n-1
、kn，阻尼系数分别为c1、c2、
…
、c
n-1
、cn。
[0047]
假定刚-弹性体系统在外力pz作用下，刚体部分的加速度为a0，弹性体各部分的加速度分别为a1、a2、
…
、a
n-1
和an。由于大型地震模拟振动台基础形式复杂，无法视为简单的刚体，因而a1、a2、
…
、a
n-1
和an互不相同。
[0048]
基础参振质量m为基础刚体部分质量与弹性体部分同步振动的质量之和，由下式求得：
[0049][0050][0051]
m＝m0+msꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0052]
m为基础参振质量，m0为基础刚体部分质量，ms为基础弹性体部分实际参与振动质量，m1、m2、
…
、m
n-1
、mn为弹性体各部分质量。
[0053]
下面基于上述基础参振质量理论进行实际大型复杂地震模拟振动台基础参振质量有限元分析方法介绍，该方法包括以下步骤：
[0054]
(1)首先根据基础设计方案建立精细化大型复杂地震模拟振动台基础模型并确定材料参数，根据地勘和室内土工试验结果确定地基土材料参数并简化分层；然后根据精度要求确定单元尺寸并进行网格划分，选取合适的单元类型；最后选取合适的人工边界，建立精细化基础-地基土整体有限元分析模型。
[0055]
(2)对基础进行模态分析，将基础加载方向基频作为工作荷载下的加载频率。根据振动台加载特性在对应加载方向作动器的表面施加等效均布荷载。
[0056]
(3)在确定加载频率的基础上施加大型地震模拟振动台的设计满载激励，计算基础参振质量。
[0057]
由于有限元分析软件计算的结果为每个单元对应节点的峰值加速度，每个单元的体积和加速度可采用excel中的vlookup函数计算。其中每个单元体积由8个节点坐标(x
max-x
min
)
×
(y
max-y
min
)
×
(z
max-z
min
)求得，每个单元加速度由8个节点加速度平均值求得。
[0058]
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。