加州大学洛杉矶分校的有限元震动地震研究

加州大学洛杉矶分校的研究人员正在进行一项由加州能源委员会(CEC)资助的开创性研究，以分析当天然气管道与地震断层线相交时(甚至当它们没有相交时)对天然气管道构成的地震风险。这项研究影响了该州近4000万居民，而这只是该项目的一个组成部分。

历史上，土木工程师在类似的研究中使用计算机辅助设计(CAD)或有限元分析(FEA)建模，但加州大学洛杉矶分校(UCLA)土木与环境工程系的Yousef Bozorgnia教授正领导一个研究生和博士后团队，使用Ansys的多物理场有限元模拟优化地震模拟。万博

在多物理场模拟中，FEA的可能性通过为研究人员提供在需要时跨工程学科模拟的能力而得到扩展，例如在研究结构力学和流体流动之间的相互作用时，所有这些都在单一、统一的模拟环境中进行。

通过万博Ansys学术项目Bozorgnia和他的团队正在整合该公司，该公司为大学提供在课堂和研究中使用的价格合理的软件万博Ansys机械用于结构分析，同时受益于模拟软件的内置工具定制和生成脚本。

此外，Ansys还万博向该团队介绍了位于德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心(TACC)，该中心设计和运营着一些世界上最强大的计算资源。

在Ansys和TACC的支持下，Bozo万博rgnia和他的团队能够执行下一级的地震模拟，这些模拟需要数百万次迭代，并在以前地震分析方法的一小部分时间和成本内影响数百万人。

几乎无限元的有限元分析

虽然Bozorgnia负责该大学Samueli工程学院的项目，但该团队的研究是更大项目的一部分。该项目由CEC资助，旨在量化整个州天然气管道的地震风险，这是一个庞大的基础设施，由嵌入土壤的数千英里管道组成。除此之外，管道的尺寸差异很大，直径从8到44英寸，厚度从0.2到1.2英寸不等。

大量的几何和地质变量也增加了分析的复杂性。首先，如果地震导致断层线破裂，相交的天然气管道会发生什么?接下来，根据具体燃气管道的尺寸和物理特性，有多少是埋在土壤里的呢?另外，管道穿过断层的角度是多少?断层线是什么样的?它可能是一条走裂断层(就像著名的圣安德烈亚斯断层，两块岩石或陆地水平滑动)。但也可能是逆断层、逆断层或正断层;每一个都涉及垂直移动，但方向和角度不同。

除了围绕断层位移的变量外，其他需要考虑的情景还包括滑坡和土壤液化。在山体滑坡中，大量的土壤直接冲向管道，管道会发生什么?此外，根据土壤的物理特征，如质地、结构和孔隙度，地震可能导致土壤“液化”，产生流动，也可能扰乱管道。

将所有变量组合在一起，需要考虑超过100万个分析，这需要数百万次迭代。为了处理这种复杂性，Bozorgnia和他的团队使用Mechanical对天然气管道和土壤进行有限元建模，同时使用TACC的高性能计算(HPC)功能对每种场景进行大量模拟。幸运的是，由于研究的性质，额外的计算能力是免费的。美国国家科学基金会支持TACC与自然灾害相关的任何研究项目，这使加州大学洛杉矶分校能够免费访问他们的计算资源。

万博Ansys建立了3 km天然气管道在多支架激励下的变形力学模型，模拟地震作用10秒。

Bozorgnia说:“研究经费总是有限的。“如果没有Ansys和他们的合作，没有Ansys学术计划，没有与TACC的互动，我们就无法完成万博这个项目。”支持和资金对该项目至关重要，该项目不仅限于管道和断层线交叉点，还包括进一步研究管道在地震时的反应，而不管它们是否与断层线相交。

地震模拟

在开始这个项目之前，Bozorgnia仔细考虑了使用哪种软件，并对研究社区中受人尊敬的成员进行了投票。

Bozorgnia说:“两年多前，我们询问了应该使用哪种软件，我们从研究人员和从业者那里得到的反馈是，Ansys比同类软件更容易使用。”万博“显然，Ansys的准确万博性和生产力也很重要，但对我们来说，首先，学习和使用它的时间短是我们选择Ansys的关键，我们真的很高兴。事实证明，这是正确的选择。”

团队中一些较新的博士生之前使用FEA软件的经验有限。尽管如此，在其他团队成员的指导下，以及Ansys学术项目提供的额外帮助下，他们能够快速学习力学万博万博Ansys学习论坛以及在线学习资源的存储库。

Bozorgnia的团队发现，除了易于使用之外，机械系统中的实体单元选择——尤其是弯头单元——在整个管道的非线性形状建模中非常有效。相反，一些研究人员可能会使用外壳元素准备类似的模型，但是该选项只会捕获管道的外部。

有了各种各样的元素可供选择，团队可以建模跨越不同长度和大小的管道，包括厚度。机械的非线性能力也使他们能够通过在模型中沿管道放置非线性弹簧来检查管道与周围土壤之间的相互作用。

在创建了几个管道模型之后，团队通过应用大量的应力和应变来分析和考虑每个模型的所有变量。根据模拟结果，他们可以准确预测哪些条件可能导致管道破裂，以及何时破裂，同时观察其他可能发生的潜在损坏情况。

在传统的方法中，团队需要一到两周的时间从头编写脚本语言，准备并完成一个模型。如今，该团队使用机械集成MATLAB代码生成在10到30分钟内完成一个模型。同样，TACC的超级计算贡献也大大加快了时间线的发展。

此外，借助该软件的远程解决管理功能，该团队能够在距离TACC位于德克萨斯州奥斯汀的HPC资源近1400英里的加州大学洛杉矶分校进行大规模计算和模拟。

Bozorgnia说，这使得团队可以在现场进行研究，同时受益于多台计算机，这些计算机共同提供了数千个中央处理器(CPU)内核。

高功率、深远的项目

到2023年底，Bozorgnia预计将完成项目的最后阶段，这是一个天然气管道和地震断层线位置的交互式数据库。随着团队的所有发现和管道组合的编录，感兴趣的各方将能够进入管道位置，并发现最近的断层线和风险。

在研究团队整理天然气管道研究的同时，他们还在进行另一项大规模的工作——检查南加州输水管道的地震风险。与第一个项目类似，Bozorgnia带领团队分析输水管道和穿越地震断层。虽然输水管道的性质和内容与天然气管道不同，但该团队采用了相同的技术、模拟和有限元来建模和分析所有变量。该小组还为这项研究创建了一个单独的交互式数据库，预计于2023年中后期完成。

在Ansys Mechanical中模拟一条万博55英寸输水管道在6英尺断层位移作用下的变形(左)和地震断裂带附近管道的应变分布(右)。

当在天然气管道数据库中输入管道位置时，该软件将根据数据库中的可变情况(包括与故障线的接近程度)显示故障概率。

类似地，在输水数据库中，输入一个位置将显示附近与断层线相交的主要输水管道，根据距离和风险显示为红色、黄色或绿色。

预计这两个数据库都将有很大的覆盖范围。该团队预计，这两个平台将被个人和国家机构(如CEC)以及使用天然气或水的公用事业公司使用。

Bozorgnia说:“这些机构和公司可以加强他们的地震处理设施，因此，加州居民将减少与水和天然气有关的风险。”“整个项目的受益者将是居住在加州的数百万人，特别是南加州约1300万居民。”

积极的余震

Bozorgnia的团队将在行业内的期刊论文中分享团队的研究和成果。然而，这两个里程碑都不会标志着团队对管道、断层线或模拟的探索的结束。

Bozorgnia说:“这是学术研究的一部分:如果有一个我们还没有使用过的功能，而我们想要解决一个非常复杂的问题，我们总是必须尝试新的东西。”“我们正在解决的问题是一个非常现实的问题，所以我们将一直尝试新的模拟软件和技术，寻找分析数据的新方法。万博Ansys已经帮助我们显著地解决了Ansys机械仿真结果中的一个55英寸复杂的现实基础设施问题。