基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统及其应用方法

摘要

本发明涉及基坑施工领域，尤其是基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统及其应用方法，其特征在于：所述系统至少包括平面计算处理模块、三维计算处理模块、接口模块和参数或工具模块，其中所述平面计算处理模块和所述三维计算处理模块分别与所述ABAQUS系统构成连接，所述接口模块和所述参数或工具模块分别与所述平面计算处理模块和所述三维计算处理模块构成数据连接。本发明的优点是：技术准入门槛低；用户不需要有丰富的基坑数值分析经验，只需要按照系统提示进行操作，便能顺利完成基坑工程建模。

说明书

技术领域

本发明涉及基坑施工领域，尤其是基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统及其应 用方法。

背景技术

近二十年来，随着我国建设事业的飞速发展，基坑的规模越来越大，开挖深度越来 越深，且城市区域旺旺建筑物密集、管线繁多、地铁车站密布、地铁区间隧道纵横交错，在这 种复杂城市环境下的深基坑工程，需要重点关注基坑本身以及基坑对周边已有建（构）筑物 及管线的影响。

基坑工程与周围环境是一个相互作用的系统，连续介质有限元方法是模拟基坑开 挖问题的有效方法。现在常见的基坑变形分析的有限元软件，包括大型商业有限元分析软 件以及岩土方面的专业性软件，能够精确地预测、验证基坑变形，但这些软件存在着以下不 足：

（1）技术依赖性强。对于复杂基坑的建模，分析人员必须要有丰富的数值计算经验，才 能合理地处理网格划分、设置边界条件、设置施工工况等问题。

（2）分析效率低。利用常见的有限元分析软件分析基坑变形，想要得到合理的结 果，需要耗费大量时间在模型修改与网格划分上面，而对于优化计算参数的时间相应地减 少，但是，优化计算参数往往是有限元分析里面最核心的过程。所以，不合理的时间结构就 造成了分析效率的低下。

（3）参数分析能力弱。大量的基坑数值计算案例表明，计算参数的优化过程对于基 坑变形计算非常重要，例如围护深度、内支撑间距、分布挖土深度、基坑形状与尺寸等，在常 用有限元软件中修改这些参数等同于重新建模，导致大量重复性的工作，过多的工作量也 就使得数值分析软件的参数化分析能力降低。

陈卫军、宁佐利基于深基坑工程增量法对ANASYS进行二次开发，然而数值模拟的 对象仅限于简单的二维界面，且后处理手段不够丰富。李维涛在其博士论文《深基坑工程三 维仿真分析系统开发研究》中，采用VisualBasic手段对ANASYS进行二次开发，该系统针对 具有复杂边界的基坑的建模与计算能够发挥作用，但是其建模过程较为繁琐，而且没有考 虑基坑开挖对邻近建（构）筑物的影响。曙光信息产业有限公司在其申请的专利《ABAQUS的 计算任务的实现方法和装置》中提出了一种生成ABAQUS计算任务的方法和装置，该装置通 过用户图形化的操作来获取用户的输入指令，并解析用户指令，然后通过合理地分配计算 资源，来保证计算任务在ABAQUS中安全稳定运行。这一专利的缺点在于它只是基于ABAQUS 在有限元分析的前处理方面进行了优化，让用户在计算任务的生成与提交方面更加简洁， 没有覆盖到有限元分析的整个流程。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了基于ABAQUS基坑开挖快速建模 分析系统及其应用方法，通过对基坑工程数值分析的前处理过程与后处理过程进行提炼优 化，实现了基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统，涉及ABAQUS系统，其特征在于：所述系统 至少包括平面计算处理模块、三维计算处理模块、接口模块和参数或工具模块，其中所述平 面计算处理模块和所述三维计算处理模块分别与所述ABAQUS系统构成连接，所述接口模块 和所述参数或工具模块分别与所述平面计算处理模块和所述三维计算处理模块构成数据 连接。

所述平面计算处理模块和所述三维计算处理模块包括参数输入模块、建模模块、 结果显示模块、结果分析模块和结果导出模块，其中所述参数输入模块与所述建模模块相 连接以实现参数化建模，所述建模模块与所述ABAQUS系统相连以将模型供所述ABAQUS系统 读取并进行计算，所述结果显示模块对所述ABAQUS系统的计算结果进行显示，所述结果分 析模块对所述ABAQUS系统的计算结果进行分析，所述结果导出模块对所述ABAQUS系统的计 算结果进行导出。

所述三维计算处理模块包括平面模型导入模块，所述平面模型导入模块与所述建 模模块相连接。

一种涉及上述的基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统的应用方法，应用于基坑 工程开挖建模分析，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：

通过参数或工具模块控制待建的基坑模型的部分属性，部分属性中的参数主要功能是 控制前期建模、计算过程以及后处理，包括模型的接触属性、计算的收敛速度、网格划分的 精细程度等；

通过参数输入模块输入、定义及基坑工程所处环境数据、基坑特征参数、土层参数、结 构物的计算参数以及基坑开挖工况和荷载以及基坑边载；

建模模块根据所述参数输入模块的输入数据建模并提交给ABAQUS系统；

通过结果分析模块和结果显示模块读取所述ABAQUS系统的计算结果，通过结果导出模 块导出所述ABAQUS系统的计算结果。

当基坑工程周边存在隧道时，通过参数输入模块输入、定义所述基坑与所述隧道 之间的分布关系以及隧道几何形状。

通过接口模块导入与基坑开挖工程相吻合的所述土层参数。

本发明的优点是：（1）技术准入门槛低；用户不需要有丰富的基坑数值分析经验， 只需要按照系统提示进行操作，便能顺利完成基坑工程建模。

（2）参数化建模，建模速度快；对于基坑工程的建模是根据用户输入的参数建立 的，在规范建模过程的同时也加快了建模速度。

（3）参数分析能力强；由于参数化建模，在基坑变形分析中，对于某一参数的分析， 只需要在模型建立过程中修改这一参数，就能更换计算工况，得到不同的计算结果，从而很 方便的对这一参数进行分析。

（4）复杂的基坑外形可以由AUTOCAD图纸导入；对于外轮廓特别复杂的基坑，本发 明预留了AUTOCAD导入接口，用户可以直接导入基坑设计图纸，就能在本发明系统里面生 成基坑的外形。

（5）后处理结果更加直观；优化了ABAQUS的后处理过程，用户可以选择观看不同结 构或者土体的变形、内力情况，与此同时，还能生成各类对比分析曲线以及基坑开挖过程的 动画。

（6）计算书生成；系统在计算、分析完成之后，可以自动生成计算书，节省了用户编 辑计算书需要耗费的大量时间。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明中平面计算处理模块实施的流程图；

图3为本发明中三维计算处理模块实施的流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便 于同行业技术人员的理解：

实施例一：如图1所示，本实施例中基于ABAQUS基坑开挖快速建模分析系统包括平面计 算处理模块、三维计算处理模块、接口模块和参数或工具模块，其中平面计算处理模块和三 维计算处理模块分别与ABAQUS系统构成连接，以将两个处理模块所完成的建模供ABAQUS系 统读取并进行计算，建模系统建好的模型能够直接为ABAQUS计算模块所用，可以在ABAQUS 计算模块中直接进行计算，而接口模块和参数或工具模块分别与平面计算处理模块和三维 计算处理模块构成数据连接，以对两个处理模块所进行的建模进行定义，以使建模按照用 户所定义的参数、用户所选择的设置来完成建模。

如图2和图3所示，平面计算处理模块和三维计算处理模块包括参数输入模块、建 模模块、结果显示模块、结果分析模块和结果导出模块，其中参数输入模块与建模模块相连 接以实现参数化建模，建模模块与ABAQUS系统相连以将模型供ABAQUS系统读取并进行计 算，结果显示模块对ABAQUS系统的计算结果进行显示，结果分析模块对ABAQUS系统的计算 结果进行分析，结果导出模块对ABAQUS系统的计算结果进行导出。

如图3所示，为了便于用户建立外轮廓复杂的基坑模型，三维计算处理模块还包括 有一AUTOCAD导入模块，该AUTOCAD导入模块与建模模块相连接。用户可以根据自身条件选 择参数输入建模或者利用已有的AUTOCAD模型来导入建模模块进行建模。AUTOCAD导入模 块是将已经存在的平面模型导入到建模模块，建模模块会提取其中的部分图层为三维建模 所用，部分图层包括CAD图纸中的支撑与基坑的形状图层。其中，建模模块在提取AUTOCAD 模型时，用户需要在参数或工具模块中设置好AUTOCAD与建模模块对接的参数，该参数是 指CAD的版本、CAD制图时采用的单位等图纸参数，以方便对接。

接口模块是一个用户自定义的窗口，用户在接口模块中可以自定义土体的本构模 型、土壤的计算参数等，通过这些参数的自定义，用户可以建立一个计算结果更符合实际情 况的计算模型。

参数或工具模块可以限定建模模块、结果显示模块、结果分析模块、结果导出模块 按照用户的设置来执行命令。

当本实施例中的系统在运行平面计算处理模块时，包括如下步骤：

步骤一，在输入参数化命令之前，通过参数或工具模块控制所建模型的部分属性以及 分配计算所需CPU的核数。

步骤二，进入参数化建模界面，通过参数输入模块输入工程信息，并大致定义工程 所处环境，例如，周边是否存在隧道以及隧道存在数量，周边是否存在建筑物以及建筑物特 征等。计算类型选择二维计算。

步骤三，若基坑的周边存在隧道，则定义隧道与基坑的分布关系，同时通过参数输 入模块输入隧道几何形状以及基坑关键特征的参数，例如，基坑围护结构厚度、长度等，设 置计算域大小。

步骤四，定义土层参数。系统内部自带常用土层计算参数，用户可以根据实际情况 选择，如果内置常用土层计算参数不能满足用户需求，用户可根据实际工程从接口模块导 入新的土层计算参数。

步骤五，定义结构物的计算参数，例如，选择结构的混凝土等级、弹性模量、泊松比 等。

步骤六，定义基坑开挖工况和荷载以及基坑边载。

步骤七，建模模块生成计算模型，提交计算模型给ABAQUS系统，并等待ABAQUS反馈 计算结果。

步骤八，计算完成之后，进行后处理。用户可根据结果分析模块和结果显示模块的 提示自行查看计算结果，还可根据用户自身需求，通过结果导出模块导出计算书、计算数据 文件、动态视频等。

实施例二：本实施例与实施例一相比的不同之处在于：本实施例系统是运行三维 计算处理模块，如图3所示，三维计算处理模块的计算可以选择输入参数建模或AUTOCAD导 入建模，下面的具体步骤为选择AUTOCAD导入建模。

步骤一，在输入参数化命令之前，通过参数或工具模块控制所建模型的部分属性 以及分配计算所需CPU的核数。

步骤二，输入工程信息，并大致定义工程所处环境，例如，周边是否存在隧道以及 隧道存在数量，周边是否存在建筑物以及建筑物特征等。计算类型选择三维计算。

步骤三，选择合适的AUTOCAD版本与本系统建立连接。选择经过处理的支撑、围护 文件，选择图纸单位，导入文件。

步骤四，定义基坑关键特征的参数，例如，基坑围护结构厚度、长度等，设置计算域 大小。如果在步骤二中选择了存在隧道或者建筑物，还需定义建筑物与隧道的结构特征，例 如，几何形状、力学特征参数等。

步骤五，定义土层参数。系统内部自带常用土层计算参数，用户可以根据实际情况 选择，如果内置常用土层计算参数不能满足用户需求，用户可根据实际工程从接口模块导 入新的土层计算参数。

步骤六，定义结构物的计算参数，例如，选择结构的混凝土等级、弹性模量、泊松比 等。

步骤七，定义基坑开挖工况和荷载以及基坑边载。

步骤八，生成计算模型，提交计算模型给ABAQUS，并等待ABAQUS反馈计算结果。

步骤九，计算完成之后，进行后处理。用户可根据界面提示自行查看计算结果。还 可根据用户自身需求，导出计算书、计算数据文件、动态视频等。

本实施例在具体实施时：AUTOCAD导入模块仅仅是平面模型导入模块中的一种， 也可以设置其他常用建模软件的导入模块来满足建模的需要。