(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911408608.7
(22)申请日 2019.12.31
(71)申请人 哈尔滨工业大学（深圳）
地址 518000 广东省深圳市南山区桃源街
道深圳大学城哈尔滨工业大学校区
(72)发明人 雷卫东 秦晓飞 段志遥 陈锐
(74)专利代理机构 深圳市添源知识产权代理事
务所(普通合伙) 44451
代理人 黎健任
(51)Int.Cl.
G06F 30/23(2020.01)
G06F 30/13(2020.01)
(54)发明名称一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法(57)摘要本发明提供了一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，包括：S1、ABAQUS根据输入文件调用ABAQUS/Explicit分析计算生成结果文件Job -1.odb；S2、运行odbHistoryOutput.py把位移和坐标数据写入到TXT文本；S3、读取TXT文本 的数据生成边界坐标矩阵和节点位移向量；S4、调用SolveStrategye进行时域边界元分析计算；S5、根据时域边界元分析计算将边界的面力转换成节点力；S6、利用平衡原理f=-Mp生成节点力矩阵并写入TXT文本；S7、运行Inpmodify.py生成下一个时间步耦合的输入文件。数据读写处理速度快， 方便快捷。权利要求书2页 说明书9页 附图6页CN 111159951 A 2020.05.15
C N 111159951
A
1.一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法包括以下步骤：
S1、将输入文件提交给ABAQUS，ABAQUS根据输入文件的内容调用ABAQUS/Explicit分析计算包进行有限元分析计算并生成相应的结果文件Job-1.odb；
S2、调用ABAQUS命令运行odbHistoryOutput.py把位移和坐标数据写入到TXT文本；
S3、MATLAB时域边界元读取TXT文本里的数据生成边界坐标矩阵和节点位移向量；
S4、调用SolveStrategye进行时域边界元分析计算；
S5、MATLAB时域边界元根据时域边界元分析计算将边界的面力转换成节点力；
S6、在MATLAB时域边界元中利用平衡原理f＝-Mp生成节点力矩阵并写入TXT文件；
S7、调用ABAQUS命令运行Inpmodify.py生成下一个时间步耦合的输入文件Job-2.inp。
2.根据权利要求1所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括以下步骤：
S31、对有限元模型中公共边界节点进行重新编号；
S32、odbHistoryOutput.py脚本文件在读取结果文件中的坐标和位移数据后，依据公共边界重新编好的编号给出写入到TXT文本数据文件名的命名规则；
S33、MATLAB有规律地依据文件名读取新数据生成所需的边界节点坐标矩阵和边界节点位移向量。
3.根据权利要求1或2所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S5中在公共边界上传递位移和力时都要遵循两个准则：位移协调和力平衡原理；当公共边界节点位置一致时，则界面上节点需满足位移协调条件(u Bi＝u Fi)和力平衡条件(f Fi +Mp Bi＝0)；其中，f Fi，p Bi分别为公共边界处节点力和面力，M为力转换矩阵可以表示为：
N代表插值函数，N T表示插值函数的转置，Γ代表公共边界，e
代表离散边界单元。
4.根据权利要求3所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括以下步骤：
S11、利用ABAQUSGUI生成几何部件，赋予部件材料属性，组装，划分网格，设置分析步和重启动，加载非公共边界的外荷载，生成Job-0.inp；
S12、导入Job-0.inp文件，修改公共边界节点编号，设置节点集，设置历史输出变量，加载公共边界的节点荷载并生成Job-1.inp。
5.根据权利要求4所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述Job-1.odb是在提交Job-1.inp文件ABAQUS分析计算后生成的odb文件。
6.根据权利要求5所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S2中根据odb
文件的数据结构编制odbHistoryOutput.py脚本文件，该脚本文件包含的功能有：读取odb文件里面的位移和坐标数据，然后将这些数据写入到TXT文本里。
7.根据权利要求6所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S4中时域边界元的主求解器分为S o l v e S t ra t e g y e和S o l v e S t ra t e g y I，调用SolveStrategye主函数可求解出边界点的未知位移和未知应力；调用SolveStrategyI主函数可求解出内点的位移和应力。
8.根据权利要求7所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S6中利用力平衡原理实现将公共边界的面力转化为节点力传递给有限元子域，通过MATLAB边界元程序计算得到公共边界面力，基于MATLAB边界元计算出的位移和面力直接储存在TXT文本中，MATLAB边界元计算时沿用了ABAQUS公共边界节点编号顺序写入到TXT文本中。
9.根据权利要求8所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述步骤S7中还包括以下步骤：
S71、利用python编制法读取上一个时间步的输入文件；
S72、修改里面的历史数据可得到本时间步的输入文件并将编制好的python脚本文件命名inpmodify.py。
10.根据权利要求9所述的基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，其特征在于，所述输入文件Job-2.i
np还可直接在在ABAQUS中由Job-1.inp生成；在之后所述输入文件为Job-3.inp、则调用ABAQUS命令运行Inpmodify.py生成的。
一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法
技术领域
[0001]本发明属于建筑结构耦合技术改进领域，尤其涉及一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法。
背景技术
[0002]随着中国城市化进程不断扩张，高层建筑、大跨桥梁、地铁以及交通隧道等都在大量建设而且还将不断涌现。这些建筑物的结构类型、规模复杂多样，地基却是一成不变的；结构减震、抗震研究已成为热点研究课题，然而结构及地基组成的体系的抗震研究更加具有研究意义。
[0003]当前，正在众多数值分析算法中，有限元法通过对区域进行插值离散，不仅能够很好的处理线弹性、均匀介质问题；也适用于非线性、非均质、各向异性问题的求解；同时有限元算法适应不同的几何形状。目前存在着较多的有限元分析软件，例如德国的ASKA，英国的PAFEC，法国的SYSTUS、美国的ABAQUS、ANSYS还有中国的PKPM。这些有限元分析软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以
及丰富和实用的非线性材料库，这些特点使得有限元法可以更加真实地分析实际工程问题。
[0004]边界元法是在边界积分方程和对全域为连续函数的基本解的基础上发展起来的。由于基本解包含奇异性且能够自动的满足无穷远处的边界条件，因此边界元法容易处理无限域、半无限域和带有奇异性的问题。同时只对边界进行离散，降低了问题的维数，使数值计算过程得到简化。目前边界元法数学理论还处于完善之中，在收敛性、误差分析和各种不同的边界元形式的统一等方面有待于形成较规范的数学理论，所以较多的存在一些研究者自己编写的边界元程序，缺乏完善的前后处理程序，只能分析一些简单的模型。
[0005]有限元边界元耦合法可以充分发挥边界元法处理远场线性土体问题的优势；有限元法处理近场结构非线性问题的长处，结合二者的优点，避免二者的缺点，能解决一些大型复杂结构的动力问题。对于边界元工作者而言，一般都编有边界元程序。但是，进行有限元边界元耦合法的工作研究时，由于缺乏有限元软件和边界元软件对应的接口，为了方便利用现有的边界元程序，目前有限元边界元耦合方面的研究主要采用的方法是自行编制相应的有限元程序及耦合程序。
[0006]有限元法在处理场域分布剧烈变化的奇异问题时，存在较大的困难；同时有限元处理无限延伸的开域或者半无限域的开域问题时，一般采用透射边界、粘性边界、粘弹性边界或者无限单元等，这些处理方式较为复杂，而且在有限元软件中实现难度较高。[0007]边界元能够很好的处理无限域问题，并能
很好地保持计算精度，但是边界元法对于各向异性问题、以及非均质、非线性问题的处理存在困难，并且边界元法缺乏大型通用商业软件。
[0008]针对有限元和边界元耦合法的工作研究，由于缺乏有限元软件和边界元软件对应的接口，为了方便利用现有的边界元程序，目前有限元边界元耦合方面的研究主要采用的方法是自行编制相应的有限元程序及耦合程序。而这样做的局限性在于：(1)分析计算时由
于缺乏有限元软件那样的丰富的材料库和单元库，因此在需要有限元边界元耦合法分析非线性或者具有复杂边界条件问题时，前期建模往往会花费更大时间成本编制前处理程序。
(2)当使用耦合法的计算之后，想要呈现模型的应力分布情况时，需要寻生成应力云图的插件，并将应力数据输入至插件的接口才能生成应力云图，这种后处理操作过程相当麻烦。[0009]现有的时域边界元软件是用MATLAB编制的。以python编制的脚本文件关联MATLAB 和ABAQUS。MATLAB编制的程序python识别不了，python编制的脚本文件MATLAB也读取不了。
发明内容
[0010]本发明的目的在于提供一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，利用ABAQUS 脚本接口，旨在解决ABAQUS与MATLAB编制时域边界元程序之间耦合的技术问题。
[0011]本发明是这样实现的，一种基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法，所述基于ABAQUS有限元与边界元的耦合方法包括以下步骤：
[0012]S1、将输入文件提交给ABAQUS，ABAQUS根据输入文件的内容调用ABAQUS/Explicit 分析计算包进行有限元分析计算并生成相应的结果文件Job-1.odb；
[0013]S2、调用ABAQUS命令运行odbHistoryOutput.py把位移和坐标数据写入到TXT文本；
[0014]S3、MATLAB时域边界元读取TXT文本里的数据生成边界坐标矩阵和节点位移向量；[0015]S4、调用SolveStrategye进行时域边界元分析计算；
[0016]S5、MATLAB时域边界元根据时域边界元分析计算将边界的面力转换成节点力；[0017]S6、在MATLAB时域边界元中利用平衡原理f＝-Mp生成节点力矩阵并写入TXT文本；[0018]S7、调用ABAQUS命令运行Inpmodify.py生成下一个时间步耦合的输入文件Job-2.inp。
[0019]本发明的进一步技术方案是：所述步骤S3中还包括以下步骤：
[0020]S31、对有限元模型中公共边界节点进行重新编号；
[0021]S32、odbHistoryOutput.py脚本文件在读取结果文件中的坐标和位移数据后，依据公共边界重新编好的编号给出写入到TXT文本数据文件名的命名规则；
[0022]S33、MATLAB有规律地依据文件名读取新数据生成所需的边界节点坐标矩阵和边界节点位移向量。
[0023]本发明的进一步技术方案是：所述步骤S5中在公共边界上传递位移和力时都要遵循两个准则：位移协调和力平衡原理；当公共边界节点位置一致时，则界面上节点需满足位移协调条件(u Bi＝u Fi)和力平衡条件(f Fi+Mp Bi＝0)；其中，f Fi，p Bi分别为公共边界处节点力
和面力，M为力转换矩阵可以表示为：N代表插值函数，N T表示
插值函数的转置，Γ代表公共边界，e代表离散边界单元。
[0024]本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中还包括以下步骤：
[0025]S11、利用ABAQUSGUI生成几何部件，赋予部件材料属性，组装，划分网格，设置分析步和重启动，加载非公共边界的外荷载，生成Job-0.inp；
[0026]S12、导入Job-0.inp文件，修改公共边界节点编号，设置节点集，设置历史输出变量，加载公共边界的节点荷载并生成Job-1.inp。
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