液固两相饱和介质动力分析的一种显式有限元法

以经典的Biot液固两相饱和介质动力理论为基础，建立了以固相位移和液相移为未知量的液固两相饱和介质动力分析的一种有限元法。该显式方法克服了隐式方法需要求解联立方程组的缺点，具有节省计算机内存空间和计算时间的优点，可以方便地应用于求解大自由度和介质非线性问题。算例分析表明，该方法具有较高的计算精度。     

弹性饱和多孔介质在非轴对称荷载下的稳态动力响应

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求出了弹性饱和多孔介质Biot方程在非轴对称情况下的级数解。首先把饱和多孔介质固体骨架位移和孔隙流体压力用级数展开 ,建立了级数系数函数满足的微分方程组 ;然后把未知函数按一定方式进行组合 ,使方程组进一步简化 ;再应用Hankel变换把关于两个变量的微分方程组转化为只有一个变量的微分方程组 ;最后解微分方程组 ,得到了有关函数的Hankel变换。接着 ,以Biot方程在非轴对称情况下的Hankel变换解为基础 ,给出了饱和多孔介质总应力分量和孔隙流体相对于介质骨架位移的Hankel变换表达式。作为特例 ,在文章的结尾部分还应用Biot方程的解得到了半空间弹性饱和多孔介质分别在表面非轴对称竖向简谐荷载和水平简谐荷载作用时的稳态动力响应。所有这些结果都对研究饱和多孔介质的动力响应特性和有关工程领域有一定意义。     

基于物质点方法饱和多孔介质动力学模拟(Ⅲ)——两相物质点方法

在传统物质点方法的基础上发展了用于饱和多孔介质动力学分析的两相物质点方法(two-phase material point method,tMPM)。由于饱和多孔介质由固体骨架与孔隙流体组成,两相物质点方法通过引入两套物质点,分别表征固体骨架变形与孔隙流体流动。应用饱和多孔介质u-U形式控制方程,推导了两相物质点方法控制方程离散形式,以固相与液相位移作为基本未知量。采用同传统物质点方法相同的时间积分形式,两相物质点方法成功模拟了饱和多孔介质中固体骨架与孔隙流体间的相互作用;并且通过数值算例中两相物质点方法解与有限元参考解的比较验证了两相物质点方法的正确性。     

饱和孔隙介质的耦合物质点-特征有限元方法

物质点法是当下用于分析饱和孔隙介质大变形问题的常用手段。然而,传统的显式物质点法直接采用弱可压缩的泊松方程计算孔隙水压力,存在着孔隙水压力震荡以及压力边界难以施加等问题。鉴于此,提出了一个适用于饱和孔隙介质的耦合物质点-特征有限元方法。该算法将孔隙水视为不可压缩流体,基于特征线分裂算法的思想,将存在对流项的液相动量方程采用特征线法进行时间离散,并利用投影法分步计算固、液相中的压力和速度。应用此算法对一维饱和土柱的固结以及二维弹性地基中波的传播问题进行了数值模拟,所得结果与参考解基本相一致。计算结果表明新算法可以很好地克服显式物质点法在计算固结问题时产生的孔隙水压力震荡现象。     

基于广义塑性本构模型的饱和多孔介质应变局部化分析

给出基于平均化原理的多孔介质动力学分析的基本理论与控制方程,采用适用于饱和砂土的广义塑性本构模型(PastorZienkiewicz模型)进行多孔介质的应变局部化数值模拟,分别对中等松散砂土与密实砂土两类介质进行了应变局部化数值模拟,并进一步对剪切带内孔隙水压力的数值结果进行了分析。可以发现,对密实砂土的模拟孔隙水将会出现负压(吸力)结果,而对中等松散砂土孔隙水则呈受压现象,这种现象出现的原因与材料的塑性膨胀现象密切相关,且计算结果与已有研究成果和试验现象完全一致     

饱和多孔介质半无限域动力-渗流分析中的非反射边界法

<正> 对于结构与土壤相互作用的动力有限元分析,由于动力过程中存在半无限域中波的传播问题,因而不能简单地用一组人为边界在半无限域中截取一有限域进行分析,因为在这些边界上辐射波将不能透过而反射回域内,造成动力响应计算的误差。除非在分析中取足够大的土壤域,而这在计算工作量上将是不能容忍的。     

基于格子Boltzmann方法的多孔介质渗流特性模拟

为研究随机多孔介质内部的渗流特性,采用基于蒙特卡洛方法随机生成的多孔介质结构结合格子Boltzmann方法的D2Q9模型模拟压力驱动时多孔介质内的渗流,发现多孔介质内的平均流速与压强梯度严格成正比,符合达西定律。在相同孔隙率、不同粒径的多孔介质中,渗透率的变化与粒径的平方成正比;在相同粒径、不同孔隙率的多孔介质中,渗透率的变化与孔隙率的关系式成正比;渗透率与Kozeny-Carman理论公式拟合较好,且多孔介质圆度越大,颗粒越不规则,渗透性能也越差。研究结果表明：格子Boltzmann方法可以准确地模拟多孔介质内的渗流,且多孔介质的内部结构会影响其渗透性能。     

两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析

基于增量形式的流体饱和两相多孔介质弹塑性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹塑性动力反应进行计算和分析,从而揭示流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应的规律.计算结果表明:两相介质弹塑性位移反应峰值要大于相应的弹性位移反应的峰值,并且弹塑性位移反应峰值出现的时刻滞后于弹性位移反应峰值出现的时刻;两相介质弹塑性速度反应与相应的弹性速度反应的差别并不显著.数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹塑性动力反应计算分析的一种有效的方法.     

变饱和裂隙多孔介质的双渗透率数值模型与参数分析

针对裂隙多孔介质中的变饱和流动与运移,分析了双渗透率数值模型的参数构成与计算特征。双渗透率模型由分别代表裂隙等效连续介质和孔隙介质的两组并列体积单元集合构成,用平均裂隙宽度和平均裂隙间距表达裂隙等效连续介质的参数,用裂隙单元与孔隙单元之间的有效作用面积、有效作用距离和有效渗透系数描述裂隙-孔隙相对流动和运移。裂隙-孔隙相互作用参数取决于概念模型,并与流体动态相关。计算分析表明,裂隙单元与孔隙单元之间的毛细力梯度与重力的共同作用决定裂隙流动、孔隙流动和裂隙-孔隙相对流动的相对大小,流体和溶质的动态受到裂隙宽度变化的显著影响。     

对“流体饱和两相多孔介质动力反应分析的显式有限元法”讨论的答复

 感谢赵跃堂先生对“流体饱和两相多孔介质动力反应分析的显式有限元法”一文所提供的算例中人工边界设置问题的讨论和关注。现就有关问题作如下答复和讨论。 1.原文是针对一般介质和一般局部荷载情况建立的计算模型和计算方法 ,这种模型和方法同样适用于均质半空间表面作用均布荷载的情况。2 .原算例中设置的人工边界是针对该问题的一般情况给出的。但这一算例本质上是一维的 ,没有水平方向的运动 ,所以可以用“讨论”中的图 1(ｂ)方式处理。但图 1(ｂ)的处理方法并不是唯一的处理方法。3.对于没有水平方向运动而仅有竖向运动 ,本质上是一维的问题 (指原文的算例 ) ,也可用讨论中图 1(ａ)的方式进行处理和分析。     

基于增量动力分析(IDA)方法的斜交网格结构抗震性能分析

斜交网格筒体结构和传统密柱深梁结构不同,其筒体由斜柱与水平梁围成,是近年来抗震研究中的新型结构,在国内外工程中也有着广泛的运用。现有关于斜交网格结构的研究存在静力和单一动力分析,为反映斜交网格结构的真实响应,并消除选取单一地震带来的偶然性,选取多条地震动参数,对两种结构进行增量动力分析(IDA),进一步对两种结构的动力研究提供了依据。结果表明:斜交网格外筒结构在每一次地震调幅计算下的最大层间位移角均小于密柱深梁外筒结构,并更晚进入屈服,且能表现出更好的抗震性能。     

成都市规划展览馆辅楼抗连续倒塌评估(Ⅱ)#br# ——基于IDA的弹塑性动力分析

成都市规划展览馆辅楼因建筑功能需要,具有大跨度、大悬挑、竖向抗侧力构件不连续、楼板局部不连续等结构特点。作为城市重要的大型公共建筑,需要评估其地震作用下的抗连续倒塌能力。首先,采用有限元软件Midas Gen建立有限元模型,并基于改进的IK骨架模型,模拟结构在地震作用下的非线性行为;其次,根据结构所在场地类型,选取20条地震动记录,并采用增量动力分析的方法对结构进行三向地震激励下的弹塑性动力分析,在此基础上,定义基于性能的结构倒塌判别准则,分别以结构最大层间位移角和梁端转角为结构损伤指标,根据增量动力分析结果对结构进行易损性分析;最后,根据结构整体的倒塌安全储备能力,评估结构的抗倒塌性能。研究结果表明：在7度罕遇地震作用下,结构发生侧向增量倒塌的概率为0.14%,发生竖向连续倒塌的概率为10.82%;在7度多遇地震和设防地震作用下,结构发生侧向增量倒塌和竖向连续倒塌的概率基本为0。同时,该结构的水平破坏倒塌安全储备系数为2.708,竖向破坏的倒塌安全储备系数为1.469。评估结果表明：该结构在地震作用下具有较好的抗连续倒塌性能。     

基于健康监测的连续刚构桥有限元模型确认(Ⅱ)——不确定性分析与模型精度评价

在下白石连续刚构桥基于响应面法的模型修正基础上,首先介绍模型确认过程试验/计算相关性分析的若干确认准则,分析模型与试验不确定性的来源;然后假定随机变量服从正态分布,采用蒙特卡罗有限元分析方法进行不确定性分析和量化,并评价模型的预测精度,实现连续刚构桥的有限元模型确认。结果表明:确认后的下白石大桥有限元模型能够很好地反映下白石大桥的真实状况,可供桥梁健康监测、损伤诊断和安全评估参考。     

欧洲规范中混凝土结构抗火设计主要内容(2)——基于构件分析的简化抗火计算方法与火灾下混凝土爆裂简化判别方法

简要介绍了欧洲混凝土抗火设计规范(EC2-1-2)提供的基于构件分析的简化抗火计算方法与火灾下结构构件混凝土爆裂的简化判别方法,并指出需进一步研究的问题,供我国混凝土与预应力混凝土结构抗火设计及相关标准修订时参考。