加州大学洛杉矶分校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)资助的突破性研究，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)对天然气管道造成的地震风险。这项研究影响了该州近4000万居民，这只是该项目的一个组成部分。

历史上，土木工程师曾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教授正领导一个由研究生和博士后组成的团队，利用Ansys的多物理FEA模拟优化地震模拟。

在多物理模拟中，FEA为研究人员提供了在需要时进行跨工程学科模拟的能力，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Ansys的学术项目Bozorgnia和他的团队正在进行整合。该公司为大学提供可负担得起的软件，用于课堂和研究Ansys机械进行结构分析，同时受益于模拟软件的内置工具进行定制和生成脚本。

此外，Ansys还将该团队引入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)，该中心设计和操作一些世界上最强大的计算资源。

在Ansys和TACC的支持下，Bozorgnia和他的团队能够进行下一个级别的地震模拟，需要数百万次迭代，影响数百万人，时间和成本都是之前地震分析方法的一小部分。

近无限单元的有限元分析

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行动的一部分。该项目由CEC资助，旨在量化该州天然气管道的地震风险。天然气管道是一个巨大的基础设施，由埋在土壤中的数千英里管道组成。此外，管道尺寸差异很大，直径从8到44英寸不等，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，有多少埋在土壤中?另外，管道穿过断层的角度是什么?它是什么样的断层线?它可能是一个走裂断层(就像著名的圣安德烈亚斯断层，两块岩石或陆地水平滑动)。但它也可能是逆断层、逆断层或正常断层;每一种都涉及垂直移动，但方向不同，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的其他情况。在滑坡中，当大量的土壤直接冲向管道时，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”，产生流动，也可能干扰管道。

将所有变量组合起来，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)能力对每个场景进行大量的模拟。幸运的是，由于研究的性质，额外的计算能力是免费的。国家科学基金会支持TACC进行任何与自然灾害相关的研究项目，这使UCLA可以免费访问他们的计算资源。

Ansys建立了3千米天然气管道在多支座激励下的变形力学模型，模拟地震10秒的影响。

Bozorgnia说:“研究经费总是有限的。”“如果没有Ansys和他们的合作，没有通过Ansys学术程序访问软件，没有与TACC的交互，我们不可能完成这个项目。”支持和资金对该项目至关重要，它不仅包括管道和断层线的交叉点，还包括进一步研究管道在地震时的反应，无论它们是否与断层线相交。

地震模拟

在开始这个项目之前，Bozorgnia通过对研究团体中受人尊敬的成员进行投票，仔细考虑使用哪种软件。

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。”“显然，Ansys的准确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导致我们选择使用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和Ansys学术项目提供的额外帮助下，他们能够快速学习机械，包括Ansys学习论坛还有一个在线学习资源库。

Bozorgnia的团队发现，除了使用方便之外，机械中的实体元素选择——特别是弯头元素——在整个管道的非线性形状建模中是有效的。相比之下，一些研究人员可能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。

有了各种各样的元素可以选择，团队可以建模跨越不同长度和大小的管道，包括厚度。机械公司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，同时观察任何其他可能发生的潜在破坏情况。

在传统的方法中，团队需要花一到两周的时间从头编写脚本语言，准备和完成一个模型。现在，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的超级计算贡献极大地进一步加快了时间轴。

此外，通过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UCLA校区进行大规模计算和模拟。

Bozorgnia说，这使得该团队可以从多台计算机中获益，同时进行现场研究，这些计算机共同提供了数千个中央处理单元(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，即天然气管道和地震断裂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，并发现最近的故障线和风险。

在研究天然气管道的同时，他们还在进行另一项大规模的工作——研究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。尽管输水管道的性质和内容与天然气管道不同，但该团队使用相同的技术、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交互式数据库，预计将在2023年中后期完成。

在Ansys力学软件中，一根55英寸输水管道在6英尺断层位移作用下的仿真结果显示了管道截面的变形(左)和靠近地震断裂带的管道应变分布(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案例给出故障概率，包括与故障线的接近程度。

类似地，在水传输数据库中，输入一个位置将显示与故障线相交的附近主要传输管道，根据距离和风险分别显示为红色、黄色或绿色。

这两个数据库预计都将拥有广泛的覆盖范围。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应对地震问题的设施，因此，加州的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，尤其是大约1300万居民的南加州。”

积极的余震

Bozorgnia的团队将在行业期刊上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使用管道、断层线或模拟进行勘探的结束。

Bozorgnia说:“这是学术研究的一部分:如果有一个功能我们还没有使用过，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，因此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。Ansys已经帮助我们在Ansys Mechanical中解决了一个55英寸复杂的现实世界基础设施问题的仿真结果。