黏弹性人工边界在ABAQUS中的实现及地震动输入方法的比较研究

为了确保大型复杂模型有限元数值计算过程的高效性及其地震反应结果的精度和可靠性,根据波场分离理论,推导与黏弹性人工边界相适应的地震动输入公式,给出一种提取边界节点控制面积的方法,并结合ABAQUS二次开发功能,编写相应的边界条件自动施加和地震动输入程序。在此基础上,选取垂直入射剪切波(SV)作用下的二维土体模型,对12种不同的边界条件与地震动输入方式的组合工况进行对比分析,并基于地震波在不连续分界面上的透射和反射原理,揭示黏弹性边界条件下加速度输入和位移输入不合理的机制。研究结果表明:对于黏弹性人工边界,采用等效节点力输入方法,数值计算结果与理论解基本一致,计算精度高;而采用加速度输入或位移输入的地震动输入方法,均会使黏弹性边界失效,计算结果严重偏离理论解。研究内容可为地下结构抗震分析中黏弹性边界的精确施加和地震动输入方法的合理选择提供参考。     

等效动力无限元及其在无限土体模拟中的应用

为解决动力分析课题中无限土体的模拟问题,依据波的透射与反射理论,考虑介质的弹性恢复作用以及在人工边界处波传播的一致性,利用无限单元并引入阻尼矩阵,构建新型的等效动力无限单元模拟动力分析问题中的无限土体。以4节点单元为例,推导等效动力无限单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。依托ANSYS平台,利用二次开发工具UPFs和数据接口将等效动力无限元连接到标准ANSYS程序,建立计算模型,分析典型的一维波动问题和Lamb问题,验证并应用等效动力无限元。结果表明,等效动力无限元模拟动力分析中的无限土体是有效的。     

深厚软土场地中三维凹陷地形非线性地震响应分析

采用黏弹性人工边界并结合地震动输入等效结点力法实现半无限场地的波动输入,采用等效线性法模拟土体的非线性特征,基于有限元软件ABAQUS,建立弹性基岩上覆深厚软土中三维凹陷地形非线性地震响应分析模型。通过与文献比较,验证了整体模型的精度。以天津地区某一浅椭球凹陷地形为例进行数值计算,比较了非线性地震响应与线性地震响应的差别,并进一步分析了三维凹陷地形对非线性地震响应造成的影响,最后计算了在地震安全性评价人工波作用下三维凹陷地形的非线性地震响应。研究表明,土体的非线性特征对三维凹陷地形地震响应有显著影响。研究还发现一个特殊现象,即凹陷地形中心附近的非线性地震响应可能会大于其线性地震响应,且地震激励幅值越大,这一现象越明显。对于三维复杂局部场地的非线性地震响应研究,模型具有一定的参考价值。     

基于等效一致黏弹性边界的重力坝抗震分析

在结构-地基的抗震动力分析中,有限元法通常是通过对模型施加弹簧-阻尼器或者无质量地基的方法来模拟地震的辐射阻尼效应,其工作量较大。在ADINA程序中采用等效三维一致黏弹性边界单元对三维黏弹性人工边界进行模拟,建立三维有限元模型,在模型的边界上延伸一层实体单元,利用黏弹性边界的弹簧-阻尼器的系数公式推导出边界单元的弹性模量和阻尼系数,并赋值给边界材料参数。利用地震响应时程分析法,对带有等效一致黏弹性边界的重力坝模型计算得出的结果与以无质量地基的方法来阻止地震波在边界反射的计算结果相比较,得出使用等效三维一致黏弹性边界来模拟地震辐射阻尼的抗震性能更好,可大大减少建模工作量,为复杂结构进行抗震分析提供了新的方法。     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

颗粒离散单元法地震动力时程计算黏性人工边界及其应用

 采用颗粒离散单元法(PFC)进行地震动力时程计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于PFC数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性吸收边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的等效方程中引入微调系数,建立确定其最优值的方法,以实现对波的最佳吸收。采用合成岩体方法(SRM)建立顺层岩质边坡和逆层岩质边坡结构面网络模型。基于提出的方法,在边坡颗粒流数值模型的人工边界上设置黏性吸收边界,对含有正交次级节理的顺层岩质边坡和逆层岩质边坡的地震破坏过程进行模拟,对其地震破坏机制进行系统分析,相关研究结论对边坡地震破坏机制研究具有重要意义。     

粘弹性人工边界ABAQUS二次开发及应用

在地震作用下,采用无质量固定边界模型会引入不真实的反射地震波,无法模拟地震波的远域能量逸散效应。基于波动理论及ABAQUS有限元软件二次开发功能实现了粘弹性单元的开发和外源波动的输入。采用粘弹性人工边界模拟地震波外源波动的远域能量逸散效应,并与固定边界模型计算结果比较。数值模拟结果表明粘弹性人工边界计算结果更接近地震波的真实传播。开发的粘弹性人工边界单元提高了ABAQUS的适用性,对促进大型或复杂工程的粘弹性人工边界波动分析具有潜在的应用价值。     

基于FLAC3D的斜入射地震波作用的数值模拟方法研究

地震动输入是进行土层场地或土-结构相互作用体系地震反应分析的重要一步。通过波场分解,将人工边界上的波动场分解为自由波场和散射波场,其中人工边界上的自由波场根据波在自由表面的反射理论求得,散射波场由黏性人工边界直接吸收,进而在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入。借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能,进行不同角度(0°和30°)入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算,数值解和理论解吻合较好。算例表明,采用黏性人工边界和等效荷载输入方法具有较高的计算精度,建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。     

DDA方法中的人工边界问题研究

 数值分析中的人工边界可能会引入虚假的反射波,不可避免地影响求解,针对非连续变形分析(DDA)方法中的人工边界问题,首先,基于Newmark法推导黏性边界、黏弹性边界对DDA方程组的贡献;其次,为更好地解决地震等外源入射问题,在DDA中引入了自由场边界;最后,为保证静、动力分析过程转换时边界的一致性,在DDA中实现静动力统一边界。利用改进后的DDA程序进行算例分析,结果表明：各人工边界理论在DDA程序实施正确;黏性边界能高效地吸收人工边界处的反射波,黏弹性边界可以反映介质的弹性恢复能力;与黏性边界相比,两侧施加自由场边界模拟无限域运动可以减少边界的影响;引入统一人工边界的DDA可以完整地模拟静、动力计算全过程。     

地震作用下大型地铁车站结构三维动力反应分析

引入三维等效黏弹性边界单元,阐述波动散射问题的自由波场输入方法,推广应用于三维水平成层半空间模型,采用集中有限元质量模型和有限差分的概念将地震动场转化为施加在人工边界节点上的等效荷载。基于某大型地铁车站,利用大型通用有限元ABAQUS软件建立考虑土–结构动力相互作用的三维有限元整体计算模型,通过局部人工边界的施加,实现了开放系统向封闭系统的转换,对土–地铁车站结构动力相互作用的整体三维模型进行模态分析,得到车站以及地基的振型特征。分析地铁车站结构在SV波及P波地震波作用下的反应,得到相应的内力分布规律和结构不利位置。从分析结果可以看出,地震波横向SV波输入时对车站结构最不利,结构刚度突变位置的构件内力也存在突变,而P波对结构的轴力影响较大。     

Soil seismic analysis for 2D oblique incident waves using exact free-field responses by frequency-based finite/infinite element method

The seismic analysis of a viscoelastic half-space under two-dimensional (2D) oblique incident waves is carried out by the finite/infinite element method (FIEM). First, the frequency-domain exact solutions for the displacements and stresses of the free field are derived in general form for arbitrary incident P and SV waves. With the present formulation, no distinction needs to be made for SV waves with over-critical incident angles that make the reflected P waves disappear, while no critical angle exists for P waves. Next, the equivalent seismic forces of the earthquake (Taft Earthquake 1952) imposed on the near-field boundary are generated by combining the solutions for unit ground accelerations with the earthquake spectrum. Based on the asymmetric finite/infinite element model, the frequency-domain motion equations for seismic analysis are presented with the key parameters selected. The results obtained in frequency and time domain are verified against those of Wolf’s, Luco and de Barros’ and for inversely computed ground motions. The parametric study indicated that distinct phase difference exists between the horizontal and vertical responses for SV waves with over-critical incident angles, but not for under-critical incident angles. Other observations were also made for the numerical results inside the text.     

地下工程抗震分析中地震动输入方法研究

 提出一种新的基于无限元人工边界的合理的地震动输入方法,该方法考虑到地层的辐射阻尼和地震波在地层中的反射和散射,采用波场分解的方法给出地震波从底面垂直入射时不同边界面上的等效地震荷载的计算公式。同时进行算例考证,结果表明,采用固定边界计算结果会出现失真的扰动,而采用该方法其结果与解析解吻合得比较好。最后将该方法用于西藏嘎龙拉隧道三维地震动力分析中,得到一些有意义的结论。     

人工边界及地震动输入在有限元软件中的实现

粘弹性人工边界不仅在时间上是局部的,而且在空间上也是局部的,这种边界物理意义清晰、简单有效,且易于在有限元法中得以实现,与之相对于的地震动输入则是通过在边界上施加等效节点力实现的,等效节点力的大小与入射地震波波速成正比.本文利用通用有限元软件提供的弹簧阻尼单元模拟粘弹性边界,介绍了土-地下结构开放系统人工边界及地震动输...     

倾斜入射地震波作用下成层场地动力反应的界面子波算法

为提高成层半空间自由波场的一维化时域方法的计算效率和精度,分析了SH波在层状介质中的传播方式、旅行时间和反射系数等问题,基于惠更斯–菲涅耳波动观点,将波阻抗界面看作次级子波源(简称为界面子波),提出了倾斜入射地震波作用下成层场地动力反应的界面子波算法,并通过模型试算验证了此方法的正确性。与常规数值法相比,此方法无需划分网络单元,也无需处理人工边界条件,从而极大地减少了计算工作量和节点之间的传递误差,具有速度快、精度高、稳定性好等特点,是一种计算成层场地动力反应的实用方法。     

透射边界稳定性控制措施探讨

多次透射边界是一种应用广泛的人工边界模拟方法,但类似于其它人工边界,它也存在计算稳定性问题。利用在 透射边界区附加黏弹性元件的方案,探讨了在波动数值模拟中消除多次透射边界计算失稳的措施,该措施中弹簧和阻尼元件被附加在透射边界区内的有限元网格点上。数值计算分析表明,该措施是一种处理透射边界计算飘移失稳的有效措施,对透射边界的零频飘移失稳有较好的抑制作用,但该措施对抑制透射边界的高频失稳没有明显效果。     

多层土粘弹性边界的二维斜入射SH波时域输入

采用不同人工边界区分区确定人工边界非外行波场,然后根据波动传播特点、应力状态及其自由地表反射规律和应力状态变换在时域下解析计算边界荷载,算例表明,斜入射输入技术简单、高效且模拟精度高。     

铁路隧道地震动力响应数值分析

基于某铁路隧道工程实例,运用有限元软件对其横断面采用二维平面应变模型进行模拟,模型采用粘弹性动力人工边界,引入水平和竖直地震波加速度激振,以数值模拟的方法分析了地震工况下隧道的稳定性及动应力、位移、应变变化规律。