基于ABAQUS-Python无限元的动力人工边界研究

结构在地震数值模拟中会产生地基辐射阻尼问题,目前广泛采用的人工边界能够有效解决该问题,然而实现一般比较繁琐。基于无限元动力边界原理和波在弹性介质中传播理论,推导了剪切波和压缩波入射情况下,人工边界各侧面节点的等效荷载时程表达式。借助ABAQUS有限元软件中无限单元,给出了无限元-有限元联合建模方法,利用软件内嵌的Python脚本语言进行开发编程,实现边界节点上荷载幅值的自动生成和施加。算例结果分析表明,该方法计算结果精度较高,能够有效解决地基辐射阻尼问题。     

基于ABAQUS无限元的静-动力统一人工边界研究

对于强震作用下的大变形和非线性问题,叠加原理不能被用来计算结构的静-动力综合效应,这就涉及到静、动力边界转换或静-动力边界统一的问题。静-动力边界转换法较为繁琐,且如果不施加由静力边界条件引起的节点约束反力,模型存在不平衡力或不平衡力矩,造成计算结果失真。黏弹性静-动力统一人工边界在结构受切向静力作用时数值解精度不够理想。为了既方便又精确地计算结构的静-动力综合效应,提出了利用无限元建立静-动力统一人工边界,推导出适用于外源波动输入的等效节点力计算公式;基于Python语言,编写了等效节点力计算与施加为一体的程序。这种边界不需要进行静力、动力边界转换、应力场的导入以及边界节点约束反力的施加。无限元静-动力统一人工边界实现相对简单,且数值解精度高于静、动力人工边界转换法和黏弹性静-动力统一人工边界,特别是在切向静力的作用下。     

关于四节点四边形单元单向分布力的等效节点力计算

在复杂结构采用有限元分析时,为了方便单元划分时疏密过渡,更好地模拟边界,常采用四节点四边形等参元,并编有各种程序,最常用的是SAPV程序。但是,这些程序只对分布力中均匀分布和水压力分布编有计算程序,对于比较复杂的表面力则要结构计算人员事先把该分布面力化为单元等效集中节点力,再按节点集中荷载输入计算。     

基于三维黏弹性边界的混凝土重力坝抗震性能分析

为进一步推动三维黏弹性人工边界在坝工抗震领域的研究和应用,更为方便地实现边界设置和波动输入方法与大型商业软件相结合,基于黏弹性边界基本理论及ANSYS有限元软件中的弹簧—阻尼单元,编制了三维黏弹性人工边界程序,该程序可有效求出边界结点的等效荷载,从而可以实现黏弹性边界单元的波动输入。然后,通过数值算例验证得出地表位移最大值接近入射波幅值的2倍,说明该程序的计算结果具有较高的精度。最后,将黏弹性边界单元及地震波入射方法应用到巴基斯坦玛尔水电站典型溢流坝段的抗震分析中,计算结果显示,在设计地震作用下坝体的动力响应峰值较固定边界下可减小20%~40%,说明考虑无限地基阻尼影响是很有必要的。     

基于ABAQUS的三维地震动人工输入研究

选择合理的人工边界是模拟荷载作用下结构-地基相互作用的关键,在地震动作用下,无限地基的阻尼效应是影响结构-地基相互作用的重要因素。基于波动理论及ABAQUS有限元软件中的弹簧-阻尼单元,实现了基于粘弹性人工边界模拟地震动的输入,通与理论解的对比,证明该方法具有较高的求解精度。     

粘弹性人工边界地震动输入方法及实现

进行结构-地基动力相互作用分析时必须考虑无限地基辐射阻尼效应，粘弹性人工边界方法由于其优越性而得到广泛应用，但对于外源地震作用下结构-地基体系的动力响应分析，还需要确定相应于粘弹性边界的地震动输入，目前一般转化为人工边界节点上的等效节点力处理，为此需要求解自由场位移、速度和应力，比较繁琐。本文首先对目前实现粘弹性边界的常用方法进行了总结。其次，对相应于粘弹性边界的地震动输入公式进行了详细的推导，使得自由场应力的求解也转化为自由场速度的求解，简化了地震输入公式，并给出了地震动输入的简便实现方法。然后，基于ABAQUS软件，进行算例分析并和理论解进行了对比，验证了各种粘弹性边界实现方式及本文地震动输入方法的合理性和正确性。最后，对大朝山重力坝典型挡水坝段进行地震响应分析，通过施加粘弹性边界并输入相应地震动，评价了无限地基辐射阻尼的影响。与无质量地基模型进行比较，结果表明坝体地震响应明显降低，故在实际工程抗震分析时对其影响应予以适当考虑。     

强震作用下特高拱坝非线性地震反应分析

研究采用等效一致黏弹性边界单元模拟拱坝无限地基辐射阻尼效应,给出了人工边界节点上等效地震荷载的计算公式,实现了拱坝-地基系统的地震动输入。以我国某特高拱坝为例,建立了拱坝-地基三维有限元分析模型,精细模拟了坝体体型、横缝、河谷形状、各类岩体以及主要地质构造。采用时程分析方法,综合考虑无限地基辐射阻尼效应、拱坝-库水动力相互作用、拱坝横缝动力接触非线性效应等因素,分析了拱坝-地基系统在强震作用下的动力响应,对拱坝抗震安全性进行了评价。研究成果为高拱坝设计提供了参考。     

基于不同边界的混凝土重力坝地震损伤分析

对于混凝土重力坝的地震损伤研究而言,组建合理的大坝模型对计算结果的精度和可靠性有很大影响,其中模型边界的选取和设置至关重要;采用黏弹性人工边界的重力坝模型计算所需时间较长,操作也较复杂,结合薄层单元和黏弹性人工边界构造了等效黏弹性人工边界,对比了黏弹性人工边界和等效黏弹性人工边界模型的结果,发现两种边界控制下的坝体地震损伤结果类似,坝体受损轻微,且等效黏弹性人工边界消耗的计算资源较少,其结果仍具有较高精度。     

显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性，结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法，提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法，并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程，在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明，采用动力显式分析时，稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果，满足远域地基的回弹性能；振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小，且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。     

三维饱和地基人工黏弹性边界

本文针对中低频率工程振动问题,不计流体加速度,基于球面波动方程导出了无限大三维饱和地基人工黏弹性边界及其流量边界条件。在此基础上给出了具有人工黏弹性边界的饱和土体动力固结问题虚位移原理。根据有限元语言编写出算法脚本文件,并基于有限元自动生成系统(FEPG),生成了计算源代码程序。通过在无限大地基表面施加冲击荷载和突加荷载的数值算例,验证了所建立方程和程序的正确性。本文方法可以应用于三维饱和地基的动力固结问题数值模拟。     

高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

围岩类型及衬砌厚度对水工隧洞地震动力响应的影响分析

以分析水工隧洞在地震激励作用下的变形破坏机制为目标,针对不同围岩类型和衬砌厚度条件下水工隧洞位移变化,根据地下结构抗震计算理论,选取合理的材料参数和模型边界条件,使用ANSYS建立了某水工隧洞的三维有限元模型,对其施加水平和竖向地震激励,应用瞬态分析法计算了隧洞结构模型在不同围岩类型和衬砌厚度下的水工隧洞动力响应。结果表明,在相同衬砌厚度下,随着隧洞围岩强度的降低,水平位移和竖向位移受影响的程度有明显的区别,即水平位移越来越大,竖直位移无明显规律可循;在相同的围岩强度下,水工隧洞并不会随着衬砌厚度的增加而趋于稳定,在Ⅲ类围岩的情况下,水工隧洞的位移随着衬砌厚度的增加而越来越大,Ⅴ类围岩下改变衬砌厚度对水工隧洞的位移几乎没有影响。因此,合理的设计围岩类型和衬砌厚度,可以既满足水工隧洞抗震性能要求,又能够降低工程造价。研究结果对合理设计隧洞衬砌厚度、增强抗震性能具有参考价值。     

隔震渡槽结构的能力谱分析方法

基于位移的抗震设计理论,介绍了能力谱法的基本原理和实施步骤。以南水北调工程为背景,应用该方法对渡槽结构的抗震性能进行了研究,并与非线性时程分析结果作对比。考虑到渡槽结构的特殊性,在计算需求谱曲线时,采用基于水工建筑物抗震设计规范的等延性弹塑性需求谱。分析表明:能力谱法可以用于隔震渡槽结构的抗震性能评估。     

水闸震害调查与抗震研究进展

通过对"5.12"汶川地震震区水闸震害调查资料以及其他水闸震害文献资料进行统计分析,讨论了水闸结构震害特点;对水闸震害的规律进行了分析,探讨了水闸的新震害趋势;之后对水闸抗震设计分析中的计算模型、地震动输入、特殊荷载(动水压力、闸门往复力、冰荷载)及相应荷载组合等问题进行探讨,结合现行水工建筑物规范对水闸抗震设防的要求,总结了水闸的抗震构造措施。     

NGA衰减关系应用于重大水电工程抗震设计的可行性探讨

选择大震近场条件的实际基岩记录、我国地震安评工作常用衰减关系和现行水工规范谱与NGA衰减关系进行比较,研究考虑近断层特性的NGA衰减关系用于描述近场、大震条件下地震动的优势,论证NGA衰减关系在我国水电工程抗震设计中应用的可行性,并指出大震近场条件下规范谱的缺陷和修订方向。     

随机地震动输入模型研究及渡槽抗震分析

在平稳地震动过程的Kanai-Tajimi模型和Clough-Penzien模型的基础上,分别建立了2种全非平稳地震动加速度过程的广义演变谱模型。根据我国现行的《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000),确定了2种广义演变谱模型的参数值。应用非平稳随机过程模拟的谱表示-随机函数方法,分别生成了基于2种广义演变谱的全非平稳地震动代表性时程集合,并进行了二阶数值统计值的对比分析。同时,通过代表性时程集合的平均反应谱与规范反应谱的拟合比较,发现K-T(Kanai-Tajimi)广义演变谱模型更适用于水工建筑物抗震设计。最后,将K-T广义演变谱模型与概率密度演化理论相结合,对渡槽结构进行了随机地震反应和抗震可靠度分析。     

水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望

全面概述了中国水利水电科学研究院近50年来在水工混凝土结构抗震研究领域的主要创新性思路和成果的进展,包括其抗震安全评价的三个相互配套的方面。在地震动输入方面为:大坝抗震设防水准框架的制定、场址相关地震动参数的合理确定、坝址地震动输入机制的理解。在结构地震响应方面为:结构抗震的动力分析、结构抗震的动力模型试验、现场测振试验和地震监测、水工抗震设计规范的编制和修订。在大坝混凝土动态抗力方面为:大坝混凝土全级配大试件动态抗折试验、对试验结果的理论探讨、大坝混凝土三维动态细观力学分析、CT技术在混凝土动态抗力研究中的应用。阐述了研究群体形成的主要工作理念为:突出工程观点、强调全面综合评价、重视实践检验、发扬团队协作精神。最后,提出了今后研究的展望。     

基于 ANSYS 的拱坝三维有限元等效应力分析

有限单元法可处理多种复杂的边界条件,计算过程更严密,在拱坝应力分析中已广泛应用。通过对坝体的离散化,将坝体离散为相互作用的单元和节点进行复杂条件下的应力分析。采用 ANSYS 分析软件计算了某水库单曲浆砌石拱坝在多种荷载组合作用下的坝体应力及变形,实现了等效应力的参数化计算,并与拱梁分载法计算成果进行对比分析,进而对拱坝结构安全性进行分析评价。     

水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析

为了探究水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应规律,基于ADINA有限元分析软件,建立了三维水力式升船机塔柱结构耦联体系概化模型,探究了竖井内水深、承船厢所处位置以及流固耦合作用等因素对塔柱结构耦联体系地震动响应的影响规律,提出了水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法,并结合景洪水电站工程实例,研究了竖井内水体和承船厢位置对塔柱结构动力响应的影响。结果表明:(1)竖井内水体增大了塔柱结构地震动响应,且水深越深影响越大;(2)承船厢所处位置对升船机塔柱结构动力响应影响可忽略不计;(3)竖井内最高水位运行工况为塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系地震作用下的最不利运行工况,该工况下系统内流固耦合作用不容忽视;(4)地震荷载作用下,竖井内水体的存在增大了景洪水电站水力式升船机塔柱结构地震动响应,且水深越深影响越大。     

动态弹性模量变化对拱坝动力反应的影响

现行水工抗震设计规范规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30％,对岩体动态变形模量的取值并无规定,现行工程实践中岩体动态变形模量通常在静态变形模量基础上提高30％。根据国内外最新研究成果修编中的新规范拟规定：大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高50％,岩体动态变形模量取为静态变形模量。本文针对新规范的这一变化,结合不同高度的拱坝,从大坝白振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证混凝土两种动弹性模量以及基岩两种动变形模量取值的影响。结果表明,坝体动弹模从30％提高到50％以及基岩动变模是否提高30％对坝体动力特性和地震反应影响不大。