基于设计地震动的覆盖层场地空间自由场构建

地震波在覆盖层场地的传播、透射及反射特性异常复杂,合理构建及表达覆盖层场地空间自由场是非一致地震动输入的关键。建立了覆盖层场地空间任一点地震动关于入射SV波、P波时程和入射角的表达式,基于地表水平和竖直两向设计地震动获得入射SV波和P波时间历程及入射角,考虑界面多次反射和土层阻尼引起的幅值衰减,构建了基岩-覆盖层场地空间自由场。与La Cienega场地实测台阵记录对比结果表明:不同深度的特征点两向地震动模拟值与实测记录符合良好,场地任意点水平和竖直地震动时程具有空间非一致性。该文提出的空间自由场构建方法为覆盖层-坝体系统非一致地震动输入提供基础。     

大振幅平面声波在多层介质中的传播

本文用逐级近似法就一维情况下分析了大振幅平面声波在多层介质的界面上发生反射和透射的传播特性。在二级近似下计算了精确到二阶小量的二至三个界面各层的反射波和透射波的二次谐波，并推广至几个界面，得到一些规律性的结果。从拉格朗日坐标下的一级近似和二级近似的波动方程式出发，假定声波在多层介质中传播在各个界面仍是连续的，即各层界面的边界条件由界面两侧的压力平衡和质点速度相等来决定，由此求得各层界面在二级近似下的二次谐波的反射波和透射波。计算结果表明，二级近似下的反射波和透射波均由两部分组成，一部分是由一级反…     

SH波作用下地表软覆盖层中浅埋圆孔的动力分析

利用复变函数法和波函数展开法对地表软覆盖层中浅埋圆形孔洞在稳态SH波作用下的动应力集中问题进行了研究并给出了解析解。根据SH波散射时的衰减特性,采用了大圆弧假定的方法,即利用一个半径很大的圆来近似表示地表覆盖层的直线边界,将半空间覆盖层直线边界问题转化为曲面边界问题。首先根据Helmholtz定理预先给出了待求波函数的一般形式解,再根据边界条件并利用复数Fourier-Hankel级数展开的方式把所求问题转化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组问题,对该无穷代数方程组截取有限项求得该问题的数值结果。通过算例分析了SH波垂直入射时,覆盖层和半空间介质的波数差异、覆盖层厚度的变化、圆孔埋置深度等因素对地表软覆盖层中浅埋圆形孔洞周边动应力集中系数的影响。     

Rayleigh波作用下桩-土-桥梁结构动力相互作用问题研究

基于等效粘弹性人工边界单元建立了可考虑成层介质及Rayleigh波输入的二维有限元时域模型,计算了Rayleigh波作用下成层介质与均匀介质的自由场反应,与理论解比较表明有限元计算结果具有较好的工程精度。针对Rayleigh波作用下桩-土-典型刚构桥梁结构动力反应进行了分析,考虑了场地条件的不同、软夹层位置的改变、不同频率Rayleigh波的输入以及桩长对Rayleigh波传播与场地地震反应的影响,对影响因素进行了讨论。     

基于虚拟介质方法数值模拟应力波穿透水舱

将虚拟介质方法推广到应力波与流固界面的相互作用,基于修正虚拟流体方法(MGFM)思想提出一种适用于流固界面应力波折射问题的界面状态计算法则。以此为基础,用Zwas格式和WENO格式分别离散固体和流体控制方程,数值模拟应力波穿透水舱。数值测试表明:虚拟介质方法推广到模拟流固界面上的应力波时,数值误差具有很好的收敛性;该研究提出的计算法则具有一阶精度。一维数值结果与理论解析解能很好地吻合,验证了用虚拟介质方法模拟应力波在流固界面处反射与透射的可行性。应力波穿透水舱的数值结果表明:虚拟介质方法与任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法得到的数值结果相近;水舱加压后,透射波的强度也相应的增加;不同的水舱压力下,应力波在流固界面处的折射规律相近。该结论对舰船的防护设计有实际意义。     

考虑水底柔性反射边界的深水桥墩地震动水压力分析

在深水桥墩地震动水压力分析中一般假定水底为完全反射边界,而忽略水底柔性介质对动水压力波的吸收作用。该文考虑水底柔性反射边界,基于辐射波浪理论,建立了深水桥墩地震动水压力的计算公式,深入分析了水底柔性反射边界对动水压力的影响。研究表明:水底柔性反射边界会在特定的荷载激励频率范围内对深水桥墩动水压力产生影响,且动水压力随水底反射系数的减小而减小,深水桥墩地震动水压力分析可以忽略水底柔性边界的影响。从而为长大桥梁地震灾变过程精细化模拟提供了理论依据。     

二维土-结构地震动力相互作用时域有限元分析

土与结构动力相互作用是地震工程研究中的一个十分重要的课题。给出了分析地震作用下二维土-结构动力相互作用的时域有限元方法。重点放在如何模拟瞬态波在无穷介质中的传播以及如何实现地震动的输入方面。在给出的有限元过程中,地震动的输入方法以及用于截断无穷介质以获得有限计算域的局部透射人工边界都是基于柱面波动方程推导建立的,这种方法非常简单有效,结合Newmark时间积分法是无条件稳定的,使得时域计算有效而可靠。数值算例验证了这种方法的精度和有效性。     

SH波对覆盖层下浅埋圆孔和圆夹杂的散射

利用复变函数法和波函数展开法给出了具有地表覆盖层的弹性半空间内圆形孔洞和圆柱形夹杂在稳态SH波作用下动应力集中问题的解。根据SH波散射的衰减特性,该问题采用大圆弧假定法求解,利用半径很大的圆来拟合地表覆盖层的直边界,将具有地表覆盖层的半空间直边界问题转化为曲面边界问题。借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解,再利用边界条件并借助复数Fourier-Hankel级数展开把问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组,截断该无穷代数方程组可求得该问题的近似解析解。最后,通过算例讨论了地表覆盖层及圆孔对浅埋圆柱形夹杂动应力集中的影响。结果表明,覆盖层刚度和厚度的变化及圆孔的存在可显著改变圆夹杂周边动应力集中的分布。     

一维传热方程瞬态问题解析解及其应用

探究路基及浅层土体的温度随深度的分布规律，对冻土区域路基的合理设计有重要意义。该文根据实际浅层土体温度边界情况，建立了一维传热瞬态模型并给出其解析解，通过与数值模拟及现场测试结果的对比验证了解析解的正确性。仔细考察介质分层情况下的热传导过程发现，传热问题在一定程度上存在与波动问题类似的现象，即在分层界面处有热传导的反射与透射，结合对解析解的分析及数值模拟，对此种“温度波”现象进行了论证分析，发现此种波总是伴有明显的衰减。此外，还探讨了解析解在冻深估计、有关模型试验中几何相似关系的确定、“覆盖效应”数值模拟等方面的应用。     

复合壳体抗水下爆炸作用机理研究

结合应力波在介质界面的反射透射机理以及应力波的衰减规律对复合壳体抗水下爆炸冲击作用进行了研究,找出了影响应力波衰减的显著因子,并提出了"匹配系数"的概念,为设计具有最佳防护效果的复合壳体提供了理论依据.     

水下爆炸应力波在含声学覆盖层结构中的传播规律

 针对舰船的含声学覆盖层结构,对水下爆炸作用下应力波在该结构中的传播规律进行研究。采用二阶Godunov方法,建立水下爆炸应力波在多层介质中传播的计算模型,并与经典Taylor平板解析解进行对比验证;通过对不同工况下的应力波传播规律分析,获得边界条件、声学覆盖层厚度等参数对其影响规律,可为舰艇抗冲击设计、研究提供参考。     

应力卸载过程砂岩应力波传播及衰减特性试验研究

由于岩体开挖卸载和原岩应力重新分布的复杂性,围岩体通常处于复杂的应力卸载环境中。为研究应力卸载过程砂岩应力波的传播及衰减特性,设计了长径比L/D≈65的条形试件,利用动静组合加载装置进行了不同轴向卸载应力下的小扰动撞击试验,测得了不同测点处的砂岩应力波信号,研究了不同卸载应力对应力波波形、纵波波速值、波峰的时空衰减规律、波峰及波峰衰减速率等的影响,并建立了经验规律模型。研究表明:砂岩是否具有卸载应力对应力波波形具有显著影响;随应力卸载,纵波波速呈“近似线性+非线性”衰减,波峰及其衰减率均呈指数变化;随距离和时间增加,波峰均呈指数衰减,且不同应力卸载阶段波峰的时空衰减具有不同敏感性;研究结果对爆破开挖条件下深部工程岩体稳定性分析提供了重要的理论参考。     

饱和两相介质近场波动问题的一种时域全显式数值计算方法

基于 u -p形式的饱和两相介质弹性波动方程,开展了饱和两相介质近场波动问题时域显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量矩阵和孔隙流体压缩矩阵进行对角化处理,消除了方程中的动力耦联,实现了波动方程的解耦。分别应用中心差分法和Newmark常平均加速度法求解固相位移和速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,推导得到了饱和两相介质动力响应的时域显式逐步积分的计算列式,建立了饱和两相介质近场波动问题的一种新的时域全显式数值计算方法。进行了该文方法中矩阵对角化合理性的验证。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该文建立的时域数值计算方法与透射人工边界方法相结合,应用于饱和两相介质的近场波动问题,进行了饱和土场地地震响应的计算研究,计算结果符合弹性波动理论的基本规律,表明该方法对于饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的适用性。基于该方法中时域递推计算格式的传递矩阵,进行了该方法稳定性特性的研究。该文建立的数值计算方法具有时域全显式算法的基本特征。方法中对动力响应的全部分量均采用递推和迭代的模式进行求解,避免了求解耦联的动力方程组。该方法具有较高的计算效率,是进行饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的一种有效的算法。     

水下蜂窝空腔覆盖层的隔声性能分析

针对驻波管隔声量测试过程中,透射管末端反射波难以消除并对测试结果有一定影响的问题,利用LMS Virtual.lab有限元软件建立了驻波管隔声量测试的仿真模型。在模型中设置无反射边界条件,基于该模型分析了蜂窝空腔覆盖层的隔声性能,指出蜂窝空腔覆盖层的隔声特性是阻抗失配、波型转换、阻尼损耗等多种机理共同作用的结果,蜂窝结构的胞元壁厚、胞元夹角、黏弹性材料的杨氏模量等参数变化对隔声量的影响较为明显。消除了入射管端面和透射管端面的反射波,并通过与解析方法的计算结果对比验证了模型的正确性。     

粘性联结的层状固体媒质中兰姆波的传播

在复合材料中 ,当有粘弹体存在时 ,粘弹体的粘性会对波的传播造成一定影响。早期的 Thomson-Haskell矩阵以面波描述板层中的场 ,而面波的幅值在各个方向都是常数 ,因此它们不能描述在一衰减媒质中反射或透射波的衰减。本文中引入体波衰减的模型 ,即 Kelvin- Voigt的粘弹性描述 [1] ,该方法导致了一个复数波数。其实部描述了波的传播 ,而虚部则描述波的衰减。1　基本理论传递矩阵可以描述弹性波在包含任意多层的层状媒质中的传播特性 [2 ] 。1.1　无限弹性固体中的波对图 1所示的计算模型 ,其运动位移方程用矢量形式可表示为 :　　 ρ 2 U …     

粘弹性材料覆盖层对于声波透射及反射的衰减作用

本文采用Thomson Haskell方法计算了在钢板上覆盖橡胶和高分子聚合物对于反射及透射声波所产生的影响 ,并且研究了在橡胶层下填充不同厚度的粘弹性高分子聚合物对于压力声波的衰减作用。本文还给出了具有不同空洞体积比的填充材料的减噪效果。     

水下目标壳体的镜反射亮点回波结构

文章从工程应用角度讨论水下目标壳体镜反射亮点回波结构。在声呐频率范围内把水下目标壳体作为多层平板处理。应用声线方法和递推关系导出任意多层平板的反射系数。忽略耦合水层两边的多次反射后，得到一组适合于瞬态和亮点分析的反射系数近似公式。利用这组公式依次讨论了：（1）未敷设吸声覆盖层的单层壳体；（2）未敷设吸声覆盖层的双层壳体；（3）敷设吸声覆盖层的单层壳体；（4）敷设吸声覆盖层的双层壳体等4种情况的镜反射亮点回波结构。并给出了数值计算的算例。     

考虑黏性效应的爆破震动区的理论分析

由于波阵面的几何扩散和介质的吸收作用,爆破地震波在传播过程中其幅值和频率会发生一系列的变化。为探究爆破地震波的产生和传播规律,将岩体考虑为黏弹性介质,并将爆破荷载等效地施加在震动区边界上,然后从频域求得该问题的积分解,最后对积分解进行数值计算和参数分析,结果表明:爆破荷载上升时间越短,震动区边界的振动幅值越大;爆破荷载总持续时间越长,震动区边界的振动持续时间越长,但振动幅值不受影响。在相同爆破荷载作用下,介质的弹性模量和黏性系数越小,震动区边界的振动幅值越大。爆破地震波的几何衰减分为近区衰减和远区衰减,近区衰减的速率明显大于远区衰减的速率。随着黏性系数与弹性模量的比值增大,介质对爆破地震波的吸收更明显。随爆破地震波传播距离增加其高频成分相对低频成分减少,黏性系数越大,减小的速度越快。     

考虑流固耦合的管内压力波传递特性分析

考虑流体的科氏力、离心力以及迁移力,导出直管14方程的流固耦合模型,建立不同管段间的角度转换矩阵和流体压力波透射边界的传递矩阵,并验证了该模型及算法的正确性。通过改变介质参数、流体边界条件以及管段间的夹角,对流固耦合作用下的管内压力波传递特性的影响规律及其特征进行了分析和研究。结果表明,由于流固耦合的作用,即使流体在透射边界时,弹性管内亦会出现一定的驻波,且管内介质及管道属性越相近,驻波现象越明显;流固耦合对压力波的影响在流体为“绝对硬”边界时达到最大;当管道强制流体改变运动方向时,由于Burdon耦合的作用,使得压力波的频域响应共振峰增多,并且这些新增的共振峰受转角影响更为明显。     

半圆柱型沉积盆地对SH波散射的数值分析

该文实现了一种半无限域SH波散射问题的数值分析方法。采用传递矩阵法得到SH波斜入射时的自由场,将其作为输入;采用集中质量显式有限元方法计算区域内节点的位移;采用透射人工边界计算人工边界点的位移;通过编写的FORTRAN程序实现计算过程。运用该方法对均匀半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析,与Trifunac M D的解析解进行了对比,验证了该文方法的有效性,分析了不同入射角对地表位移和位移谱放大系数的影响。最后,对成层半空间内半圆柱型沉积盆地在SH波入射下的散射进行了分析。相对于解析方法而言,该方法可以考虑更为复杂地形情况。