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

本发明涉及数值仿真，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、与现有技术对比如下：

5、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

6、专利cn113408177a和cn113408177b中提供了一种岩土体随机场构建方法及系统，该发明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；而本发明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。

7、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

8、专利cn115577649a中提供了考虑土体参数随机场其渗流的影响，该发明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，但是该发明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；而本发明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。

9、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

10、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；而本发明实现了多个随机模型的自动化分析。

11、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

12、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，但是该发明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；而本发明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

1、为解决上述技术问题，本发明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。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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，

8、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。

9、作为本发明系统进一步改进，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。

10、作为本发明系统进一步改进，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，这种方法无需打开abaqus软件，节省了随机有限元的循环计算时间，大大提高了自动化分析的效率。

11、作为本发明系统进一步改进，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表格中相应的区域，再根据python语言对计算结果进行统计分析，实现考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析。

12、本发明提供考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析系统的方法，所述具体方法的步骤如下：

13、s1、在系统平台输入材料参数的材料参数的均值和变异系数，点击均值模型建立，系统平台将调用abaqus软件，通过python语言在abaqus软件内建立均质材料的有限元模型，提交作业分析，得到自动生成的“.inp”为后缀的输入文件；

14、s2、在系统平台上点击随机场模拟，系统平台对matlab软件进行调用，基于matlab软件编写程序，通过在系统平台输入材料参数的均值和变异系数，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；

15、s3、在系统平台上点击批处理，系统将进行m次随机有限元模型的一键批处理自动分析，包括以下步骤：

16、s3.1、系统平台将读取前处理模块中的“.inp”输入文件中的材料属性，将其修改为随机场离散数据，并将考虑材料空间变异性的网格设置为独立的“set”,进而将随机场网格模型的材料属性赋值给有限元模型中相对应的网格的“set”，从而生成新的“.inp”输入文件；

17、s3.2、系统平台将重复步骤3.1，实现m次随机场离散的赋值，输出m个新的“.inp”输入文件，分别命名为“1.inp”、“2.inp”、……“m.inp”；

18、s3.3、系统平台直接在dos环境下调用abaqus软件，进入有限元分析模块；通过在abaqus软件内循环打开生成的新的m个“.inp”输入文件并进行有限元计算，abaqus软件将自动生成考虑材料参数空间变异性的m个“.odb”为后缀的有限元分析结果文件；

19、s4、系统平台将自从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表格中相应的区域，再根据python语言对计算结果进行统计分析，从而实现考虑参数空间变异性的随机有限元自动化分析；

20、s5、分析结束，退出系统。

21、本发明与现有技术相比，其优点在于：

22、针对利用随机场理论考察材料参数空间变异性对结构的影响时有限元分析存在耗时长，效率低，要手动操作的步骤较多等缺点，本发明提供了一种随机有限元自动化分析系统与方法，该发明系统界面友好、操作简单，能够完成有限元模型的自动化建模、自动化分析，实现多个随机离散场一键式批处理分析功能，可显著提高随机有限元的效率和质量，大大节约了结构变异性分析时间，具有十分广阔的工程应用和推广价值。