**波浪荷载作用下海床的动态响应**
波浪水槽试验中的二维平直海床如下图所示，海水水位为0.5 m，波高0.2 m，周期2 s，地基的参数如下表所示。假设海床左右两侧边界位于无限远处（左右边界固定），请采用国产自主有限元计算平台FssiCAS探究海床土体在波浪作用下的位移与动态孔压分布情况，并绘制海床内部的渗流矢量图。 1.1 FssiCAS图形界面操作——前处理 1.1.1 从Abaqus 软件中生成网格 FssiCAS 接受 Abaqus 软件的网格文件格式（.inp）。当用户使用 Abaqus 划分网格时，以一个简单的例子来说明如何导出.inp 文件。用户对模型划分网格、设置材料属性（无需为材料设置参数）并完成装配后，得到如图 1.1 的界面。（网格大小为0.1m） 图1.1 划分网格 在 Model 模块中选择 Job，进入创建工作界面。 图1.2 创建Job 选择工作路径，点击 Write Input 按钮，将会在选择的工作路径下生成后缀名为*.inp 的文件即为网格文件。 图1.3 写入输入文件 当用户使用 Abaqus 建立模型时，完成实体模型建模后，选择File-Export-Part，在弹出对话框中选择输出后缀名为.igs的文件，即可导出背景线.igs文件。 图1.4 Abaqus 导出.iges文件 图1.5 导出的.inp文件和.igs文件 1.1.2 新建工程文件 在 FssiCAS 软件中，用户点击 File—New，即可新建一个项目；用户点击 File—Save，选择之前新建的文件夹（选择 Seabed 文件夹），即可将新建的项目保存在之前新建的文件夹里；当用户点击右上角（退出软件）时，在弹出的窗口中选择 Yes，可保存当前项目，选择 No 即不保存当前项目，如图 1.6所示。 图1.6 在 FssiCAS 软件中新建和保存一个项目的过程图 1.1.3 导入网格 网格文件利用 Abaqus 软件绘制，用户点击 FssiCAS—Preprocess—Load Mesh，在弹出的文件选择对话框中选择 Abaqus 输出的网格文件，双击或点击打开按钮载入网格文件，如图 1.7 所示。在弹出的对话框中设置单元节点阶次，如图 1.8 所示。由于本案例中固体节点采用四边形四节点单元，S.Node 默认为 4。海床包含流体作用，所以流体节点阶次设置为 1，点击 Ok 按钮确认选择 图1.7 导入 Gid 软件输出的网格文件 图1.8 设置固体节点数和流体节点阶次 1.1.3 导入背景线 加载几何模型的背景线，是为了后续施加边界条件、区分材料以及设置输出时程结果的线。在 Model 树状菜单栏中的 Load Background 中，用户点击 Outer Boundary，在弹出的 Outer Boundary 窗口中点击 Choose File，选择从 Abaqus 等建模软件中导出的背景线.igs 文件，点击打开，关闭弹出的 Outer Boundary 窗口，可导入几何模型的背景线，如图 1.9 所示。 图1.9 导入几何模型的背景线 1.1.3 添加边界条件 需要将几何模型的边界条件设置为：海床左右两侧的边界设置为 X 方向位移固定，底部边界设置为 X、Y 方向位移均固定，顶部边界设置孔压固定和添加水动力边界条件； 点击工具栏 2 中图标 ，进入边界选择模式，如图 1.10 所示； 点击工具栏 2 中图标 ，进入背景线选择模式，如图 1.11 所示；点击键盘‘R’键，开始选择； 图1.10 进入边界选择模式 图1.11 进入背景线选择模式 在工作区中拖动鼠标框选左右两侧的边界，用鼠标拖动选中后被选择的线出现高亮；点击鼠标右键，在显示的边界条件下拉菜单中选择 Displacement—Add，在弹出的窗口中勾选Constant Displacement 下面 XDof 并点击 OK，即可将左右两侧的边界设置为 X 方向位移固定，如图1.12 所示； 图1.12 将左右两侧的边界设置为 X 方向位移固定 按照上述方法，在工作区中拖动鼠标框选底部边界，用鼠标拖动选中后被选择的线出现高亮；点击鼠标右键，在显示的边界条件下拉菜单中，选择 Displacement—Add，在弹出的窗口中勾选 Constant Displacement 下面 XDof 和 YDof 并点击 OK，即可将底部边界设置为 X、Y 方向位移均固定，如图1.13所示。 图1.13 将底部边界设置为 X、Z 方向位移均固定 由于土体顶部受静水压力作用，因此这条边上的节点要施加水动力边界。 在工作区中拖动鼠标框选顶部边界，用鼠标拖动选中后被选择的线高亮； 点击鼠标右键，在显示的边界条件下拉菜单中，选择 Hydrodynamic—Add，即可将顶部边界设置为孔压固定和添加水动力边界条件，如图 1.14 所示； 再次点击键盘‘R’键，可结束选择； 点击操作界面右侧的伸缩区，勾选 Show Boundary Condition，可以检查是否添加边界条件。 图1.14 将顶部边界设置为孔压固定和添加水动力边界条件 1.1.4 水动力边界条件设置 在前处理界面上 Model 树状菜单栏里的 Hydrodynamics 中，点击 Stokes Wave； 在弹出的窗口中输入波浪参数：一阶行波，波浪周期 1s，波高 0m（第一步只有静水压力，不施加波浪力），水深0.5m，水位线0.5m+1.0m=1.5m，点击 OK，添加静水压力，如图1.15所示。 图1.15 添加静水压力 1.1.5 设置材料参数 在前处理界面正上方的工具栏2中，点击设置材料属性和参数的功能按钮 Material，在工作区中用鼠标左键点击海床模型，然后在弹出的窗口中选择线弹性本构模型，并输入海床属性参数，点击 OK，即可设置材料属性和参数，如图16所示；海床的杨氏模量为5e7，泊松0.33，孔隙比0.65，渗透率2.3-e3，其他设置不变。 图1.16 海床的相关属性参数 1.1.6 设置重力加速度场 点击 FssiCAS—Preprocess—Load—Filed Quantity—Uniform Field，为整个案例施加重力载荷。即加速度场的 X 方向为 0 m/s2，Y 方向为 -9.806 m/s2，如图1.17所示。Step 2 的重力场在新建时间步时后自动复制当前时间步的设置，因此后续时间步不再重复施加加速度场。 图1.17 重力加速度设置 1.1.7 设置求解器类型 在前处理界面上 Model 树状菜单栏里的 Solver 中，点击 Solver Type，在弹出的对话框中设置求解器类型，求解器设置为 Static（Static 表示与时间无关的静态，为了获得初始状态最好用 static求解器），并进行相关属性参数设置，如图1.18所示。 图1.18 设置求解器的相关属性参数 1.1.8 设置时间步 通过点击 Time step 中 step 1 下面 Sub_step 1 设置时间步，具体设置参数如图1.19 所示。 Simulation Time (s)为计算总时间，设置为 1 s；Interval for Time Steps (s)为时间步长，设置为 0.1 s；Interval for Updating Coordinate (s)为坐标更新时间，设置为 1.1 s（大于计算总时间，意为不更新坐标）；Interval for Updating Global Stiffness Matrix (s)为刚度矩阵更新时间，设置为 1.1 s（不更新刚度矩阵）；Maximum lterations 为每个时间步最大迭代次数，设置为 10 步；Restart File Output Interval (s)为输出重启文件的时间，设置为 1.1 s（不生成重启文件）；Restart File Output Interval (s)为输出某一时刻所有节点/高斯点上的位移、应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 0.1 s输出一次结果文件；Results Output 为选择输出节点上的结果；History Output Interval (s)为输出特定的节点或单元上的应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 0.1 s 输出一次 0.1 s（意为不输出）。α，β1，β2 为时间系数，保持默认值即可。可在 Results Sequence 中选择输出流速、流线图，每一步均需要选择。 图1.19 设置时间步和相关属性参数 1.1.9设置初始条件 在前处理界面上 Model 树状菜单栏中，点击 Initial State，点击 OK，即可完成 Step 1 初始状 态设置，如图1.20所示。 图1.20 设置初始状态和指定初始条件 1.1.10 时间步 Step 2 设置 本案例设置 Step 1、Step 2 两个时间步， Step 1 用于给后续计算提供一个良好的初始状态，Step 2 为正式加载计算时间步。点击时间步按键可增加时间步，如图1.21，添加成功后左端任务栏会显示添加的时间步，点击 此按键可以对需要设置的时间步进行设置，如图 1.22所示。 图1.21 添加时间步 图1.22 增加时间步的步骤示意图 1.1.11 水动力边界条件设置 Step 1 只为计算模型初始状态，不施加波浪力，Step 2 添加波浪周期、高度。 在前处理界面上 Model 树状菜单栏中的 Hydrodynamics 中，点击 Stokes Wave； 在弹出的窗口中输入波浪参数，如图1.23所示：波浪类型选择一阶波浪，波浪周期为 2s，波高为0.2m，水深为0.5m，水位线为0.5+1.0=1.5m，点击 OK； 图1.23 施加波浪荷载 1.1.12 设置材料参数 step 1与step 2 相同。 1.1.13 设置求解器类型 在前处理界面上的 Model 树状菜单栏中的 Solver 中，点击 Solver Type，在弹出的对话框中设置求解器类型，求解器设置为 Consolidation（Consolidation 表示土的固结分析，与时间一阶导数相关），并进行相关属性参数设置（对称），如图1.24所示。 图1.24 求解器的相关属性参数设置 1.1.14 设置时间步 Step 2 的时间步设置如图1.25 所示。计算总时间设置为 70 s；时间步长设置为 0.1 s；坐标更新时间设置为 71.1 s；刚度矩阵更新时间设置为 71.1 s；每个时间步最大迭代次数设置为 10 步；重启文件的时间设置为 71.1 s；每 0.1 s 输出一次结果文件；输出节点上的结果；每 0.1 s 输出一次选定节点或单元的时程文件。α，β1，β2 保持默认值。 图1.25 设置时间步和相关属性参数 1.1.15 设置初始条件 在前处理界面上 Model 树状菜单栏中，点击 Initial State，然后点击 Load File，点击 OK，并在弹出的 Question 窗口中选择 Yes，完成指定初始条件，如图 1.26所示； 图1.26 设置初始条件 1.1.16 计算并保存 点击在前处理界面上 Model 树状菜单栏里 Computaton 中的 FSSI-W，或者在前处理界面正上方的工具栏 2 中的 WriteCalculate 功能按钮，点击 All step，保存当前项目，开始计算，如图1.27所示，计算完成如图1.28所示。 计算完成后结果储存在 Project\Results\Soil_Model\Multiple。 在退出 FssiCAS 软件时，用户在弹出的 Note 窗口中点击 Yes，即可退出软件时保存项目。 图1.27 计算与保存 图1.28 计算完成 1.2 FssiCAS 图形界面操作——后处理 用户点击树状菜单栏上的 Results，即可进入后处理界面。 1.2.1 加载文件 点击在后处理界面上 Results 树状菜单栏中的 Open Results File，在弹出的窗口中点击 Soil ResultsFiles Director—Load Files，选择需要处理的结果文件夹 Results—Soil_Model—Multiple，即可进入后处理阶段，如图1.29所示。 图1.29 选择需要处理的结果文件夹的过程 1.2.2 绘制分布图 点击 FssiCAS—Postprocess—Distribution—Solid & Structures ，可以选择绘制位移、应力、孔压等计算分布图。例如，点击树状菜单里中的 Displacement，在界面上方工具栏选择 Displacement X，输入想要查看的时间步点击回车，即可绘制 X 方向的位移分布图。选择 Displacement Y，可绘制 Y 方向位移图，如图1.32所示。点击左右按键（图1.30所示），可查看每个时间步的位移变化。 图1.31 选择物理量 图1.32 时间为1.5s时的X方向位移云图 图1.33 时间为1.5s时的Z方向位移云图 图1.34 时间为1.5s时的X方向的有效应力云图 图1.35 时间为1.5s时的Z方向的有效应力云图 图1.36 时间为1.5s时的动孔压云图 图1.37 时间为1.5s时的渗流速度矢量 图1.38 时间为1.5s时的动渗流速度矢量 图1.37 时间为1.5s时的动渗流流线图
