一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法

技术领域

本申请涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法。

背景技术

控制实验室地面的振动是安装大型精密设备的实验室在建设过程中的一个重要目标，实验室地面的振动水平是评价实验室建设效果的重要指标之一。目前，对安装大型精密设备的实验室地面的振动控制方法有改善实验室建设场地的土质、在实验室地面下方浇筑大体积素混凝土换填层等。

在现有技术中，针对振动的测量已有成熟的测量系统，但针对大体积混凝土微振动控制效果进行有限元模拟的方法尚不完善。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法，可以完成大体积混凝土换填层微振动控制效果的模拟，并通过上述的评价参数的大小对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行评价。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法，该方法包括：

根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型；

根据设定的单元尺寸对混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型进行网格化；

确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型中的单元的类型，并确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的边界；

计算网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的自振频率，根据地勘报告确定混凝土试验段和底座的阻尼参数，并将所述阻尼系数输入到网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型中；

在有限元仿真分析模型中的底座的预设位置处设置激励点，通过该激励点输出预设频率范围的激振信号；

通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，并根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。

较佳的，所述根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型包括：

根据待测试的大体积混凝土结构确定混凝土试验段和底座的建模长度；

根据地勘报告确定底座的建模层数以及底座的弹性模量；

根据混凝土试验段和底座的建模长度、底座的建模层数和底座的弹性模量，建立混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。

较佳的，所述底座的建模长度为混凝土试验段的长度的1～2倍；

所述底座的建模层数为一层或多层；或者，所述底座的高度不低于20米。

较佳的，当混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型为二维模型时，该模型中的单元的类型采用平面应变单元；

当混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型为三维模型时，该模型中的单元的类型采用C3D8或C3D8R单元；

其中，所述C3D8或C3D8R单元为有限元模拟中的单元类型，C表示为实体单元，3D表示三维，8是这个单元所具有的节点数目，R表示这个单元是缩减积分单元。

较佳的，选择使用无限单元作为网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的边界。

较佳的，使用有限元软件模拟计算得到格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的自振频率。

较佳的，根据地勘报告选择合适的瑞利阻尼系数作为混凝土试验段和底座的阻尼参数。

较佳的，所述混凝土试验段和底座的阻尼参数表示为：

C＝αM+βK；

其中，C为混凝土试验段和底座的阻尼参数，M、K分别为质量矩阵和刚度矩阵，α和β分别为常数，α为底座的瑞利阻尼系数，β为混凝土试验段的瑞利阻尼系数；

所述α和β通过求解如下方程组确定：

解得：

其中，ω

较佳的，所述通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，并根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数包括：

通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据；

将混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据分别进行快速傅里叶变换，得到变换后的扫频激励数据；

计算得到变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值；

将变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值作为混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。

较佳的，通过如下公式计算得到测点处的扫频激励数据：

其中，y表示测点处的扫频激励数据，A表示幅值，f

如上可见，在本发明的技术方案中，提供了一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法，该方法可以根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型；根据设定的单元尺寸对混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型进行网格化，降低相应的计算量，在保证计算精度的同时加快收敛速度；确定模型中的单元的类型以及模型的边界；然后确定混凝土试验段和底座的阻尼参数，并通过该激励点输出预设频率范围的激振信号，通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，并根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数，从而可以完成大体积混凝土换填层微振动控制效果的模拟，并通过上述的评价参数的大小对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行评价。

附图说明

图1为本发明实施例中的大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法的流程图。

图2为本发明实施例中的模型示意图一。

图3为本发明实施例中的模型示意图二。

图4为本发明实施例中的时域信号示意图。

图5为本发明实施例中的频域信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法的流程图。如图1所示，本发明实施例中的大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法包括如下所述步骤：

步骤101，根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。

在本申请的技术方案中，可以根据实际应用场景的需要，确定待测试的大体积混凝土结构(例如，大体积混凝土换填层)，然后建立与该待测试的大体积混凝土结构相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。其中，所述混凝土试验段用于对待测试的大体积混凝土结构进行模拟，且该混凝土试验段设置在所述底座上。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，所述底座可以是土体、硬化地面，也可以是预先浇筑的混凝土底座。

此外，在本申请的技术方案中，可以通过多种具体实现方式来建立混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本申请的技术方案进行详细的介绍。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，所述根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型可以包括：

根据待测试的大体积混凝土结构确定混凝土试验段和底座的建模长度；

根据地勘报告确定底座的建模层数以及底座的弹性模量；

根据混凝土试验段和底座的建模长度、底座的建模层数和底座的弹性模量，建立混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述底座的建模长度可以是混凝土试验段的长度的1～2倍。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述底座的建模层数可以是一层或多层(例如，三层)；或者，所述底座的高度不低于20米。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型可以是二维模型，也可以是三维模型。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以使用有限元软件(例如，ABAQUS等)建立混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型。

步骤102，根据设定的单元尺寸对混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型进行网格化。

在本申请的技术方案中，在建立了混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型之后，可以将设定的单元尺寸作为网格尺寸，对混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型进行网格化，因而可以实现混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的离散化，以便于进行后续的计算，降低相应的计算量，在保证计算精度的同时加快收敛速度。

步骤103，确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型中的单元的类型，并确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的边界。

在本申请的技术方案中，在网格化混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型之后，即可根据实际应用情况的需要，确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型中的单元的类型，并确定网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的边界，以便于进行后续的有限元模拟操作。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型为二维模型时，该模型中的单元的类型可以采用平面应变单元；而当混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型为三维模型时，则该模型中的单元的类型可以采用C3D8或C3D8R单元。其中，所述C3D8或C3D8R单元为有限元模拟中的单元类型，C表示为实体单元，“3D”表示为“三维”,“8”是这个单元所具有的节点数目，“R”表示这个单元是“缩减积分单元”。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以选择使用无限单元(InfiniteElement)作为网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的边界，以确保该边界可以吸收入射的全部振动能量，防止波动在边界处发生反射，以模拟信号传输到无穷远的情况。

步骤104，计算网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的自振频率，根据地勘报告确定混凝土试验段和底座的阻尼参数，并将所述阻尼系数输入到网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型中。

在本申请的技术方案中，可以先计算网格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的自振频率，然后根据地勘报告确定混凝土试验段和底座的阻尼参数，并将确定后的混凝土试验段和底座的阻尼参数输入到网格化后的混凝土试验段和底座的阻尼系数的有限元仿真分析模型(例如，ABAQUS)中。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以使用有限元软件模拟计算得到格化后的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型的自振频率。

再例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以根据地勘报告选择合适的瑞利(Rayleigh)阻尼系数作为混凝土试验段和底座的阻尼参数，即使用Rayleigh阻尼来描述混凝土试验段和底座的阻尼。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，混凝土试验段和底座的阻尼参数(即总阻尼阵)可表示为：

C ＝αM+βK (1)

其中，C为混凝土试验段和底座的阻尼参数，M、K分别为质量矩阵和刚度矩阵，α和β分别为由实验确定的常数，α为底座的Rayleigh阻尼系数，β为混凝土试验段的Rayleigh阻尼系数，αM实质上是假定部分阻尼与质点速度成正比，βK实质上是假定部分阻尼与应变速度成正比。

上述的α和β可以通过求解如下方程组确定：

解得：

其中，ω

在本申请的技术方案中，可以根据实际应用情况，预先设定上述的ω

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述ω

另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用情况，预先设定上述ζ的取值。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述ζ的取值可以是0.05，也可以是其他合适的取值。

步骤105，在有限元仿真分析模型中的底座的预设位置处设置激励点，通过该激励点输出预设频率范围的激振信号。

由于不同的精密仪器对实验室地面振动水平的控制要求(即实验室地面在特定频段内的振动水平能够达到仪器正常工作的要求)不同，因此，在本申请的技术方案中，可以使用“扫频”的方式来对选定频率范围的振动水平做出准确评估。

因此，在本步骤中，将在有限元仿真分析模型中的底座的预设位置处设置相应的激励点，用于输出不同频率的激振信号，进行扫频激励。

在本申请的技术方案中，可以根据实际应用场景的需要，预先设置激振器输出的激励信号的频率范围。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，所述预设频率范围可以是：1～100Hz。此时，进行扫频激励时的激励信号的上限频率是100Hz，下限频率是1Hz。

步骤106，通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，并根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。

在本申请的技术方案中，可以在混凝土试验段上预先指定一个或多个测点，并在底座上的预先指定一个或多个测点；随后，可以通过上述的有限元仿真分析模型，模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据；然后，再根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。

在本申请的技术方案中，可以通过多种具体实现方式来实现上述的步骤106。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本申请的技术方案进行详细的介绍。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，所述步骤106可以包括：

步骤61，通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据。

在设置了上述有限元仿真分析模型，并在有限元仿真分析模型中通过激励点输出预设频率范围的激振信号之后，即可通过上述有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，可以通过如下公式计算得到测点处的扫频激励数据：

其中，y表示测点处的扫频激励数据，A表示幅值，f

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，当T＝t，且T＝t＝40时，某一个测点处的扫频激励数据(时域信号)可以如图4所示。

另外，在本申请的技术方案中，可以根据实际应用的需要，预先设置幅值A的取值。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，所述幅值A的取值可以是1，也可以是2，也可以是100，也可以是其他合适的取值，在此不再一一赘述。

步骤62，将混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据分别进行快速傅里叶变换(FFT，fast Fourier transform)，得到变换后的扫频激励数据。

在本步骤中，可以将混凝土试验段上的测点处的扫频激励数据进行快速傅里叶变换，得到变换后的混凝土试验段上的测点处的扫频激励数据，并将底座上的测点处的扫频激励数据进行快速傅里叶变换，得到变换后的底座上的测点处的扫频激励数据，从而可以将时域信号变换为对应的频域信号，以便于进行后续的对比。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，当T＝t，且T＝t＝40时，变换后的某一个测点处的扫频激励数据(频域信号)可以如图5所示。

步骤63，计算得到变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值。

通过上述的快速傅里叶变换，可以将振动时域信号变换为相应的振动频域信号，得到变换后的混凝土试验段上的测点处的扫频激励数据和变换后的底座上的测点处的扫频激励数据，并可获知混凝土试验段上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值，以及底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值。

因此，通过计算即可得到变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，假设混凝土试验段上的测点处的扫频激励数据在20Hz时的幅值为16mm/s，底座上的测点处的扫频激励数据在20Hz时的幅值为20mm/s，则变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值为0.8(16/20＝0.8)。

步骤64，将变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值作为混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。

在得到上述变换后的混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据在不同频率激振时所对应的频域曲线的幅值的比值(简称比值)之后，即可将上述比值作为混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数。因此，可以通过上述的评价参数的大小对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行评价。

在本申请的技术方案中，在得到上述评价参数之后，可以根据实际应用情况的需要，设置相应的评价标准，从而可以根据上述的评价参数和评价标准，对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行评价。

例如，作为示例，在本申请的一个较佳实施例中，当比值大于1时，表示该混凝土试验段对该频率的振动有放大效应；当比值等于1时，则表示该混凝土试验段对该频率的振动无控制作用；而当比值小于1但大于或等于0.9时，则表示该混凝土试验段对该频率的振动有一定控制作用；当比值小于0.9时，则表示该混凝土试验段对该频率的振动有较好的控制作用。

因此，通过上述的步骤101～106，即可获得混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数，并可以进一步根据该评价参数对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行有效的、准确的评价，从而可以对该混凝土试验段所模拟的待测试的大体积混凝土结构在不同频段的振动控制能力进行相应的评价。

综上可知，在本发明的技术方案中，提供了一种大体积混凝土微振动控制效果有限元模拟方法，该方法可以根据待测试的大体积混凝土结构建立相应的混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型；根据设定的单元尺寸对混凝土试验段和底座的有限元仿真分析模型进行网格化，降低相应的计算量，在保证计算精度的同时加快收敛速度；确定模型中的单元的类型以及模型的边界；然后确定混凝土试验段和底座的阻尼参数，并通过该激励点输出预设频率范围的激振信号，通过有限元仿真分析模型模拟计算得到混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据，并根据混凝土试验段上的测点和底座上的测点处的扫频激励数据计算得到混凝土试验段对不同频段振动的控制能力的评价参数，从而可以完成大体积混凝土换填层微振动控制效果的模拟，并通过上述的评价参数的大小对混凝土试验段在不同频段的振动控制能力进行评价。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。