波动问题中的三维时域粘弹性人工边界

应用弹性波动理论,发展了实现波动直接模拟的三维时域粘弹性人工边界。首先基于三维波动方程推导了三维粘弹性人工边界的法向与切向边界方程,然后研究了时域粘弹性人工边界的数值模拟技术,最后通过典型的波动问题算例证明了给出的三维人工边界具有较高精度,可以方便地应用于三维波动问题的模拟分析。     

采用粘弹性人工边界单元时显式算法稳定性分析

在土-结构地震反应或近场地震波动问题的分析中,常采用粘弹性人工边界单元将无限域问题转化为近场有限域问题进行计算。由于粘弹性人工边界单元的材料参数和单元尺寸与内部介质单元不同,采用显式时域逐步积分算法时,人工边界区与内部系统的数值稳定条件存在差异,但目前尚未有针对性的分析方法和研究成果,影响了显式数值稳定条件的确定和稳定积分时间步长的正确选取。针对二维粘弹性人工边界单元,该文提出一种分析显式时域逐步积分算法稳定性的方法:建立可代表人工边界区域特征的,包含人工边界单元的若干局部子系统,对各子系统的传递矩阵进行分析,给出采用显式时域逐步积分算法时各子系统的稳定条件解析解。通过对各子系统的稳定条件进行对比分析,获得了采用粘弹性人工边界单元时,显式时域逐步积分算法的统一稳定性条件。当内部介质区也满足该稳定条件时,这一条件成为使整体系统数值计算稳定的充分条件,可用于指导数值分析中离散时间步长的选取。     

粘弹性人工边界的虚位移原理

该文将结构及其近场地基作为动力平衡系统,将在人工边界上的波动分解为自由波和散射波,并将输入地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现波动输入。基于以上假设通过分析结构及其近场地基系统的动力平衡关系和自由场的传播机制,给出了自由场的位移表达式、速度表达式,以及在人工边界上由自由场产生的等效荷载一般表达形式,最后建立了粘弹性人工边界统一的动力学积分弱解形式,同时基于有限元程序自动生成系统(FEPG)开发了粘弹性边界条件元件程序。经过计算验证:该文建立的具有粘弹性人工边界的动力学问题的积分弱解方程粘弹性边界条件元件程序可靠、正确。利用这些元件程序,在前处理中可像加位移或应力边界条件一样简便快捷地施加粘弹性边界条件。     

采用粘弹性人工边界时显式算法稳定性的改善研究

在显式动力计算中引入粘弹性人工边界时,受人工边界刚度和阻尼等因素影响,整体模型的数值积分稳定性将变得更为严格,这在一定程度上限制了粘弹性人工边界在大规模显式动力计算中的应用。该文基于对采用粘弹性人工边界的显式时域逐步积分算法稳定性条件的分析及其影响因素的研究,提出通过对人工边界附加集中质量来改善其数值积分稳定性的方法,发展了稳定性更优的改进粘弹性人工边界。为确定合理的人工边界质量值,利用基于局部子系统的稳定性分析方法推导得到改进粘弹性人工边界的稳定性条件,通过比较分析给出人工边界质量参数的建议值。采用该建议值后,粘弹性人工边界区的数值积分稳定性条件优于内部计算域的稳定性条件,整体计算模型的稳定性由内部计算域控制,此时可以用常规的稳定性判别准则来确定临界时间积分步长。数值算例表明,该文提出的粘弹性人工边界数值积分稳定性改善方法在提高计算效率的同时保持原人工边界的计算精度,具有较强的实用性。     

模拟P波向无穷远域传播的一致边界

将人工边界设置在半无穷层单元和内部有限元区域的交界面上,建立了半无穷层单元的刚度矩阵后,得到了边界节点的动力平衡方程。任意给定激励圆频率,将边界节点系统的动力平衡方程转化为特征值方程。求解特征值方程得出边界节点系统的特征值和特征模态,利用模态叠加原理得到体现左半无穷层单元和右半无穷层单元对内部有限元区域作用的边界矩阵,这就是该文的一致边界。将其与内部有限元区域的刚度矩阵进行组装来模拟无穷远域介质对波的传播作用。最后用数值算例来说明一致边界的精确性和可行性。     

粘弹性分析的复变边界积分方程法

本文应用弹性－粘弹性对应原理提出了基于复位势基本解的二维粘弹性分析的复变边界积分方程方法，给出了所有基本关系式，编制了相应的计算程序并给出计算实例，与已有工作相比，本方法具有公式统一，程序简洁通用，边界单元数少和效率高等特点。     

应用边界元法确定围岩粘弹性位移的新方法

本文将岩体介质蠕变柔量理论与弹性平面问题的边界元法相结合，提出围岩粘弹性位移分析的一种新方法－蠕变柔量法，新方法省略了边界元数值程序的拉普拉斯正变换和逆变换的过程，使线性粘弹性平面问题的边界元方法得到简化。新方法理论简单，通用性，实用性强，本文通过简单算例说明了这些优点。     

P波垂直入射下海域岛礁场地动力反应分析

该文重点研究P波垂直入射时海域岛礁场地的地震反应。截取包含岛礁礁体、海水以及下部基岩的近场计算域建立有限元模型,利用流体介质动力人工边界和一致粘弹性人工边界单元模拟无限海水介质与半无限地基的波动辐射效应。基于介质波动理论推导得到了P波垂直入射时含上覆水层的半空间自由场理论解,并利用基于人工边界子结构的地震波动输入方法,将该自由场运动转化为等效地震输入荷载,从而实现了海域岛礁场地P波垂直输入。通过算例分析,验证了该文模型与方法的准确性。并利用该地震反应分析模型研究海水与礁体的耦合作用以及水体中的波动输入对海域岛礁场地地震反应的影响。该研究可为海域场地地震反应分析提供一定的理论指导和方法借鉴。     

地下结构静-动力分析中的人工边界转换方法研究

对同时考虑静力效应和动力效应的地下结构静-动力分析问题,静力分析与动力分析的人工边界转换对动力分析结果有较大的影响。通过对人工边界转换方法边界转换原理的分析,表明以静力分析结果中的应力场为初始条件进行动力分析时,在输入静应力场的同时输入引起此应力场的荷载和边界条件,以及去掉边界约束条件的同时施加以相应的约束反力,均可保证模型在动力计算初始时刻为静力平衡状态。提出了一种在动力分析中施加零动力荷载的方法来检验静、动力人工边界转换的误差。算例表明采用粘弹性静-动力统一人工边界及其相应计算方法时,该边界在某些地下结构静力计算中存在较大误差。通过分析,推荐了较为合理的地下结构静-动力分析人工边界转换方法。该方法在人工边界转换时先去掉静力分析的约束,并在施加动力人工边界进入动力分析前将静力分析的荷载、静力场和约束反力一并输入模型。通过算例分析,验证了该方法的合理性。     

边界粘弹性支承对矩形板强迫振动响应的影响

提出边界粘弹性支承对矩形板强迫振动响应影响的分析方法。该方法基于阻尼复模态分析,利用阻尼复模态的正交性,导出了板的完全解耦的模态方程;通过算例研究和讨论了粘弹性边界支承对板的振动响应的影响。     

近场数值波动分析中地震波输入的一种简化方法

在显式有限元方法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了地震波垂直输入时的一种简化输入方法。将近场有限元模型沿高度方向进行分层,将地震动的入射运动转化为作用于人工边界底面及分层后每层侧面上的均布力,以实现地震动的输入。与以等效节点力的方式实现的地震动输入相比,施加均布力的方式简化了地震波输入的前处理工作,且又能保证与等效节点力方式相同的精度。自由场数值算例表明：当本文方法中的分层高度与波动有限元网格离散要求的最大尺寸相等时,本文方法与等效节点力方法具有相同的精度;当局部区域按网格离散要求的最大尺寸进行分层而在其它区域放大分层高度时,局部区域上的近场波动响应仍可保证具有相当高的精度。另外,某隧道结构地震响应算例的计算结果同样说明了本文方法的有效性。     

动力设备荷载模拟及设备－桩基体系非线性动力分析

采用人工模拟设备动力荷载对桩基和上部设备协同工作体系进行了非线性振动时程分析。在分析过程中,针对设备振动荷载不易确定的特点,根据实测的荷载时程曲线,以及设备的极限荷载,按平稳高斯过程三角级数模型构造人工荷载时程曲线,将其作为设备的外部施加动荷载。在设备－桩基体系协同工作有限元模型中,采用粘滞边界模拟承台周边的地基土,地基弹簧弹性系数采用粘-弹性半空间法计算,使得整个体系的计算规模得到简化。利用模态叠加法对该体系进行动力时程分析。将上述方法应用到常州盘固水泥厂水泥立磨设备基础分析,并与实测结果进行对比,验证了该方法的计算精度。     

地震作用下深厚土层-结构相互作用的高效分析方法

基于黏弹性边界和将场地反应转化为等效地震荷载的有限元直接法是目前进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。当土层厚度较深时,整个深厚土层-结构系统的有限元模型自由度数目较多,尤其对于三维问题,计算效率低。该文提出一种高效分析方法,即一维场地反应分析仍然针对整个深厚土层,在后续的土-结构相互作用分析中将土-结构计算模型的底面人工边界从深厚土层底面（基岩面）向上移动到接近结构的位置,通过缩减土-结构相互作用模型尺寸来提高计算效率。采用理论分析与数值算例,通过与采用整个深厚土层的传统土-结构相互作用分析结果对比,说明提出的高效分析方法能够满足精度要求,并且给出底面人工边界位置以及边界条件和地震动输入方式的建议。     

一种高阶精度人工边界条件:出平面外域波动问题

针对无限外域中的出平面波动问题,提出一种用于近场波动有限元分析的高阶精度人工边界条件。首先,采用变量分离法求解远场初边值问题,建立了时空全局的精确动力刚度人工边界条件;然后,发展了一种由有理函数近似和辅助变量实现构成的时间局部化方法,并将其应用于动力刚度人工边界条件,得到时间局部的高阶精度人工边界条件;最后,沿人工边界离散高阶精度人工边界条件,并将其与近场集中质量有限元方程耦合,形成对称的时间二阶常微分方程组,采用一种新的显式时间积分方法进行求解。数值算例表明:提出的高阶精度人工边界条件精确、高效、稳定并且容易在现有的有限元代码中实现。     

高速铁路路基的动力响应分析方法

基于一致粘弹性人工边界建立了有砟轨道高速铁路在动荷载作用下的三维轨道路基有限元模型,模型考虑列车荷载、钢轨、轨枕、道床及路基的接触关系,采用移动轮载单元模拟列车通过时的动力作用。分析了四种机车车辆的一个轮对荷载引起的动应力在路基中的传播特性,包括路基面动应力与轴重、车速的关系,动应力沿路基纵向、横向及深度方向的变化。通过计算结果与秦沈客运专线综合试验实测结果的比较,验证了有限元分析的可靠性。三维一致粘弹性人工边界及单元的的成功应用,对缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,有利于高速铁路尤其是无砟轨道路基动力特性的进一步研究。     

一种高精度圆柱形人工边界条件:水-柱体相互作用问题

针对水-柱体动力相互作用问题,提出一种用于模拟无限域水体的圆柱形高精度时域人工边界条件。首先,基于三维可压缩水体的波动方程和边界条件,采用分离变量法建立了时空全局的精确人工边界条件;然后,将其动力刚度表示为外域模型和波导模型人工边界条件动力刚度的嵌套形式;之后,应用时间局部化方法得到时间局部的高精度人工边界条件;最后,离散高精度人工边界条件,并将其与近场有限元方程耦合,形成一种能够采用显式时间积分方法求解的时间二阶常微分方程组。数值算例表明:提出的三维圆柱形高精度人工边界条件精确、高效、稳定。     

离散高阶Higdon-like透射边界

基于比例边界有限元法(SBFEM)半离散思想和Higdon透射微分算子提出了一种用于模拟二维层状介质标量波传播的高效离散高阶Higdon-like透射边界。对无限介质边界进行迦辽金有限元离散后,描述标量波的偏微分方程转换为局部坐标系下半离散矩阵方程组;然后使用高阶Higdon透射算子和辅助变量,在时域内得到了一个阶数不超过2阶的离散高阶透射边界。透射边界是由一组常微分方程构成,可以采用通常的时步积分方法求解,它在截断边界上非局部,在时间域局部。算例表明:该文提出的透射边界的计算精度可以随着辅助变量的增加而提高,但计算量却呈线性化增加,因而计算效率较全局方法有了显著提高。另外,由于该文的边界条件是直接建立在离散节点上的,所以它很方便与近场有限单元法耦合。     

地震波斜入射下考虑局部地形影响和土结动力相互作用的多跨桥动力响应分析

在地震工程研究中同时考虑局部地形效应和土与结构动力相互作用对结构动力响应的影响是一个困难的问题。该文基于多源粘弹性人工边界理论,利用通用有限元程序ANSYS建立了一种可以同时考虑地震波入射角度、土与结构动力相互作用及局部地形效应等因素影响的有限元分析模型。利用这一模型对一座5跨连续梁桥进行了动力响应分析,结果表明：结构...