(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210533252.5 (22)申请日 2022.05.17 (71)申请人 东南大学 地址 210000 江苏省南京市玄武区新 街口 街道四牌楼 2号 (72)发明人 龚维明　许洁　冯东　戴国亮　 黎冰　王燕华　杨阳　 (74)专利代理 机构 安徽省蚌埠博源专利商标事 务所(普通 合伙) 34113 专利代理师 朱恒兰 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限 元建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种刚度可调的振动台剪切 土箱三维有限元建模 方法， 实现该方法的具体步 骤为： 通过有限元软件分别建立矩形钢管框架叠 层及方形截面耗能杆部件， 并赋予相应的材料属 性； 根据土箱原型设计方案将合理分割后的各部 件装配成几何模 型； 创建耗能杆与框架叠层间的 接触， 对各部件合理设置约束， 完成叠层状剪切 土箱三维有限元模型的建立； 参照箱内试验用土 物理力学性质， 通过调整框架叠层外围耗能杆的 数量、 截面面积、 刚度及其固定键的布置数量和 布置方式等模 型参数， 可实现土箱有限元模型刚 度的按需精确调节。 本发明方法可为土箱原型设 计优化和加工制造提供参考依据， 这对开展深埋 地下结构地震 模拟振动台试验研究意 义重大。 权利要求书1页 说明书6页 附图8页 CN 114818433 A 2022.07.29 CN 114818433 A 1.一种刚度 可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法， 其特征在于通过以下步骤实 现： （1） 根据土箱原型设计方案， 利用ABAQUS有限元软件绘制土箱模型各部件， 并赋予其相 应的材料属性， 再合理划分网格后装配成刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元模型； （2） 步骤 （1） 所述的土箱模型部件， 包括矩形钢管框架叠层和方形截面耗能杆两种实体 单元， 其中， 方 形截面耗能杆是利用等效刚度法替代圆形截面 耗能杆的； （3） 步骤 （2） 所述的矩形钢管框架叠层和方形截面耗能杆， 在根据耗能杆矩形截面边长 及其固定键加固面积对两部件表面进行分割后， 均采用C3D8R单元类型进 行模拟， 并将其划 分为均匀的立方体网格； （4） 将步骤 （3） 所述的连接方形截面耗能杆与矩形钢管框架叠层的固定键简化为两种 构件接触面之间的 “Tie接触”， 同时利用 “硬接触”模拟耗能杆与叠层间的法向相互作用， 此 外， 还需对各叠层 及耗能杆 上下两端设置竖向位移约束； 在上述所建立的三维叠层状剪切土箱有限元模型基础上， 参考箱内试验用土物理力学 性质指标， 通过调整矩形钢管框架叠层外围耗能杆的数量、 截面尺 寸、 刚度以及固定键的布 置数量和布置形式等模型参数， 可调节三维叠层状剪切土箱有限元模型的刚度。 2.根据权利要求1所述一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法， 其特征 在于， 所述振动台剪切土箱三维有限元模型的刚度调节方法有如下五种： （1） 增加或减少耗能杆的数量， 并相应调整矩形钢管框架表面分割面积， 进而调整耗能 杆和框架叠层间的 “Tie接触”及“硬接触”面积； （2） 增长或缩短方形耗能杆边长， 同时调整钢管框架表面分割面积， 进而调整耗能杆和 框架叠层间的 “Tie接触”及“硬接触”面积； （3） 在给部件材料属性赋值时， 增大或减小耗能杆材料属性中的弹性模量参数数值， 以 调整耗能杆刚度； （4） 通过调整连接耗能杆与矩形钢管框架叠层的固定键数量， 相应地增加或减少耗能 杆和叠层框架间的 “Tie接触”及“硬接触”面积； （5） 可将固定键间隔布置为排状、 梅花状等形式， 再根据具体布置形式相应地调整耗能 杆和框架叠层间的 “Tie接触”及“硬接触”面积。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114818433 A 2一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方 法 技术领域 [0001]本发明涉及岩土工程抗震计算机辅助设计技术领域， 尤其涉及的是适用于深埋地 下结构地震模拟振动台模型试验研究的一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模 方法。 背景技术 [0002]深埋地下结构地震响应一直是岩土工程抗震设防及安全评审的关注焦 点， 地震模 拟振动台模型试验因其成本较低、 可重复和可操作性强等特有优势， 广泛应用于岩土工程 抗震研究， 然而， 室内振动台模 型试验中需用到模 型土箱盛土， 模型土箱设计方案合理与否 会直接影响到试验结果的准确性和有效性。 [0003]国内外振动台试验常用的模型土箱类型一般可分为刚性土箱、 柔性土箱和叠层状 剪切土箱， 其中， 叠层状剪切土箱 通常由矩形钢管框架堆叠拼装而成， 各叠层框架间放置一 定数量的滚珠轴承， 使 得叠层框架间在 振动加载方向上可自由移动； 此外， 该类型的土箱 不 仅能有效地减小地震波在箱体内壁的反射和散射作用， 还能模拟土体在地震作用下的剪切 变形， 可较好地 实现半无限地基条件； 因此， 叠层状剪切土箱是目前国内外振动台试验中最 常用的模型土箱类型。 [0004]据相关文献报道， 目前已有的叠层状剪切土箱基本只能实现叠层间的单向水平运 动， 然而， 由于现实中地震波会引起地面多向振动， 在研究深埋地下结构地震动力 响应时， 仅开展单向的振动台模型试验远无法满足需要； 此外， 现有的叠层状剪切土箱大多通过改 变箱体两侧固定钢板的尺寸和数量来调节箱体刚度， 导致箱体刚度变化幅度较大， 难以实 现箱体刚度按需精准可调； 为进一步提高振动台模型土箱的使用效率， 以适应箱内不同的 试验用土性质， 研发一种刚度可调的多向叠层状剪切土箱是十分必要的。 [0005]考虑到生产一套刚度可调的多向叠层状剪切土箱成本较高， 在投入生产前对模型 土箱的设计方案开展有限元数值模拟工作， 通过建立数值模型计算分析以验证土箱设计的 合理性， 是土箱加工制作以及后续顺利开展振动台试验的重要保障； 因此， 本发明建立了一 套刚度可调的振动台剪切土箱 三维有限元建模方法， 基于ABA QUS软件可实现土箱模型建立 和计算分析， 通过调整箱体外围耗能杆的数量、 直径、 刚度及其固定键布置数量和布置方式 等模型参数， 可按需精准调节土箱刚度， 进而验证了模型土箱设计的合理性， 这对后续开展 深埋地下结构振动台试验研究意 义重大。 发明内容 [0006]针对目前已有现有振动台试验用叠层状剪切土箱存在的缺陷和不足， 为验证其设 计合理性， 本发明提出了一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法。 [0007]本发明是通过以下技 术方案实现的： 一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法， 实现该方法首先 需建立三 维叠层状剪切土箱有限元模型的， 具体步骤如下：  建立三维叠层状剪切土箱有限元模型说　明　书 1/6 页 3 CN 114818433 A 3