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开创性的研究，该研究由加州能源委员会(CEC)资助，旨在分析天然气管道与地震断层线相交时(甚至当它们没有与地震断层线相交时)对天然气管道造成的地震风险。这项研究影响了该州近4000万居民，而这只是该项目的一个方面。

从历史上看，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教授正在领导一个由研究生和博士后组成的团队，利用Ansys的多物理场有限元模拟来优化地震模拟。万博

在多物理场模拟中，研究人员可以在需要时跨工程学科进行模拟，例如在研究结构力学和流体流动之间的相互作用时，所有这些都可以在一个统一的模拟环境中进行，从而扩大了FEA的可能性。

通过万博Ansys学术计划Bozorgnia和他的团队正在整合该公司，该公司为大学提供可负担得起的用于课堂和研究的软件万博Ansys机械用于结构分析，同时受益于仿真软件的内置工具，用于定制和生成脚本。

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)，该中心设计并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地震模拟，这些模拟需要数百万次迭代，影响数百万人，而时间和成本都是以前地震分析方法的一小部分。

近无限元的有限元分析

虽然Bozorgnia是该大学Samueli工程学院的项目负责人，但该团队的研究是一个更大项目的一部分。该项目由CEC资助，旨在量化全州天然气管道的地震风险——这是一项由数千英里埋在土壤中的管道组成的庞大基础设施。此外，管道尺寸差异很大，直径从8英寸到44英寸，厚度从0.2英寸到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，那么相交的天然气管道会发生什么?接下来，根据具体输气管道的尺寸和物理特性，有多少是埋入土壤的呢?此外，管道以什么角度穿过断层-这是什么样的断层线?它可能是一个走裂断层(就像著名的圣安德烈亚斯断层，两块岩石或陆地在水平方向上相互滑动)。但它也可能是逆断层、逆冲断层或正常断层;每一种都涉及垂直移动，但方向和角度不同。

除了围绕断层位移的变量外，还需要考虑滑坡和土壤液化等情况。在山体滑坡中，大量的土壤直接流向管道，管道会发生什么?此外，根据土壤的物理特性，如质地、结构和孔隙度，地震可能导致土壤“液化”，产生一种流动，也可能扰乱管道。

将所有变量组合在一起，需要考虑超过一百万次分析，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)功能对每种情况进行大量模拟。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与自然灾害有关的任何研究项目，这使得加州大学洛杉矶分校可以免费使用他们的计算资源。

万博Ansys力学模型模拟了3公里天然气管道在多支撑点激励下的变形，模拟了10秒地震的影响。

“研究经费总是有限的，”Bozorgnia说。“如果没有Ansys和他们的合作，没有Ansys学术计划的软件访问，没有与TACC的互动，我们万博不可能完成这个项目。”支持和资金对该项目至关重要，该项目不仅包括管道和断层线交叉点，还包括进一步检查管道在地震期间的反应，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通过调查研究界受人尊敬的成员，仔细考虑了使用哪种软件。

Bozorgnia说:“两年多前，我们问我们应该使用哪种软件，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很短，这是导致我们使用Ansys的关键点，我们真的很高兴。事实证明这是一个正确的选择。”

团队中一些较新的博士生之前使用有限元分析软件的经验有限。尽管如此，在其他团队成员的指导下，以及Ansys学术计划提供的额外帮助下，他们还是能够快速学习机械万博万博Ansys学习论坛以及一个在线学习资源库。

除了易于使用外，Bozorgnia的团队还发现，在机械系统中，实体元件的选择，特别是弯头元件，在对管道的非线性形状进行整体建模时是有效的。相比之下，一些研究人员可能会使用外壳元件准备类似的模型，但这种选择只能捕捉管道的外部。

有了各种可供选择的元素，团队可以对不同长度和尺寸(包括厚度)的管道进行建模。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，同时观察可能发生的任何其他潜在损坏情况。

在传统的方法中，团队需要花费一到两周的时间从零开始编写脚本语言来准备和完成一个模型。今天，该团队使用集成了MATLAB代码生成的Mechanical在10到30分钟内完成了一个模型。同样，TACC的超级计算贡献大大加快了这一时间表。

此外，凭借该软件的远程求解管理功能，该团队能够在距离TACC位于德克萨斯州奥斯汀的高性能计算资源近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)核心。

高功率，深远的项目

到2023年底，Bozorgnia预计将完成该项目的最后阶段，这是一个天然气管道和地震断裂带位置的交互式数据库。有了所有团队的发现和管道组合编目，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。

在进行天然气管道研究的同时，他们还在进行另一项重大任务——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互动数据库，预计将于2023年中后期完成。

在Ansys Mechanical中对一条5万博5英寸输水管道在6英尺断层位移下的模拟结果显示了管道截面的变形(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，软件将根据数据库中的可变情况(包括靠近故障线)显示故障概率。

同样，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，根据距离和风险分别用红色、黄色或绿色表示。

这两个数据库预计都将有相当大的覆盖范围。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:“机构和公司可以加强他们的地震问题设施，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生活在加州的数百万人，特别是南加州约有1300万居民。”

积极的余震

Bozorgnia的团队将在业内的期刊论文中分享他们的研究成果。然而，这两个里程碑都不会标志着团队探索管道、断层线或模拟的结束。

Bozorgnia说:“这是学术研究的一部分:如果有一个我们没有使用过的功能，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，所以我们将不断尝试新的模拟软件和技术，寻找新的方法来分析我们的数据。万博Ansys极大地帮助我们解决了Ansys机械仿真结果中55英寸复杂的现实基础设施问题。