半空间饱和土中圆形壳结构对平面P波的散射

在Biot波动理论的基础上,引入更符合工程实际的半透水边界条件,给出了半空间均质饱和土中半渗透圆柱形壳结构对平面P波散射的级数解。具体做法是利用波函数展开法,将入射波和散射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的无穷级数的形式,采用大半径凸圆弧来近似半空间表面,根据问题的连续性条件和边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,进而得到问题的求解。计算结果表明:半空间饱和土和圆柱形壳界面处的径向应力与壳和土体的相对渗透性、入射角等有关,壳和饱和土体的相对渗透性越小,饱和土体和壳结构底部界面处径向应力所受影响越大。     

双相介质中椭圆孔洞与裂纹对SH波的散射

采用Green函数法和保角映射法解答了双相介质界面附近一个椭圆孔洞和一个裂纹(在同一侧)对SH波的散射问题。沿水平界面将双相介质剖分为一个含椭圆孔和裂纹的半空间以及一个完整的弹性半空间。结合“裂纹切割”法,利用Green函数法构造裂纹,求解出孔洞与裂纹同时存在时的位移和应力表达式。一组未知力系施加在水平界面上,使两部分契合,基于界面连续条件推导出一系列Fredholm积分方程组,从而求出未知力系。最后,给出算例讨论了不同参数对椭圆孔周边动应力集中系数和裂纹尖端动应力强度因子的影响。     

层状饱和半空间中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射

在作者给出层状饱和场地三维精确动力刚度矩阵和层状饱和半空间中移动荷载动力格林函数基础上,采用间接边界元方法在频域内求解了层状流体饱和场地中沉积谷地对斜入射平面P1波的三维散射问题。该方法的特点在于虚拟移动均布荷载和斜线孔隙水压可以直接施加在沉积与层状饱和半空间交界面而不存在奇异性。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间和弹性基岩上单一饱和土层中沉积谷地为例进行了数值计算分析。研究表明,沉积谷地对平面P1波的三维散射与二维散射之间存在本质差别,入射角度、孔隙率、饱和土层刚度和饱和土层厚度等参数对沉积谷地附近动力响应有着显著影响。     

SH波对界面圆柱体夹杂下半圆脱胶的散射分析

本文采用有限元法研究近场界面圆柱夹杂脱胶结构对瞬态SH波的散射和动应力集中系数问题。用有限元法模拟弹性波在半无限介质中的传播,用ANSYS进行计算,给出了部分节点的位移、应力时程解和夹杂周边的动应力集中系数,讨论圆柱夹杂、介质参数以及波数对动应力集中和各点位移带来的不同影响,并进行对比分析。     

SH波入射双相介质半空间浅埋任意位置圆形夹杂的动力分析

采用Green 函数及复变函数方法研究了SH 波入射到双相介质半空间时,浅埋任意位置圆形夹杂的动力响应问题。首先,利用“镜像”法构造满足直角平面自由边界条件的散射波场解答,进而求出该文所需的Green函数;其次,利用“契合”思想,将模型沿着垂直界面剖分为两个直角域,并利用界面连续性条件及Green函数建立待解外力系的第一类Fredholm 积分方程组;最后,通过具体算例给出了圆形弹性夹杂周边的动应力集中系数。结果显示:界面、自由边界、圆形夹杂、入射波数等因素均对动应力集中系数有影响。     

SH 波对圆形夹杂与裂纹的散射及其动应力集中

采用Green 函数的方法, 研究了介质中同时存在夹杂与裂纹时对SH 波的散射, 构造了在含有半圆形夹杂的弹性半空间, 水平面上任一点承受时间谐和出平面线源载荷作用时的位移函数作为Green 函数。并推导了SH 波对夹杂与裂纹散射的定解积分方程组, 进而求得裂纹尖端的动应力因子。重点讨论了夹杂的存在对裂纹尖端动应力因子的影响, 给出了随夹杂介质参数及夹杂与裂纹距离对裂纹尖端动应力因子的分布曲线, 为工程设计提供参考依据。　      

弹性波三维散射快速多极子间接边界元法求解

边界元方法对于无限域中弹性波散射求解具有独特优势,但求解矩阵的非对称稠密特征极大限制了该方法在大规模实际工程中的应用。为此,基于单层位势理论,结合快速多极子展开技术,通过对球面压缩波和剪切波势函数的泰勒级数展开,建立一种新的快速多极间接边界元方法,以实现大规模弹性波三维散射的精确高效模拟。算例分析表明所提方法能够大幅度降低计算时间和存储量,可在目前普通计算机上快速实现上百万自由度弹性波三维散射问题的快速精确求解。最后以全空间椭球形孔洞群对平面P波、SV波的散射为例,揭示了三维孔洞群周围稳态位移场和应力场的若干分布规律。该文方法对低无量纲频率（ka<5.0）的大规模多体散射问题尤为适合。     

半空间中椭圆夹杂与裂纹对SH波的散射

采用Green函数、复变函数和多极坐标方法求解弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位的裂纹对SH波的散射问题。利用“保角映射”技术求解椭圆夹杂对SH波的散射位移场,并构造适合本问题的Green函数,即含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和的反平面荷载作用时的位移基本解,结合裂纹“切割”法构造裂纹,进而得到椭圆夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。最后,通过具体算例,讨论了不同参数对地表位移、弹性夹杂周边动应力集中系数和裂纹尖端动应力强度因子的影响规律。     

梯度材料中任意形孔对反平面剪切波散射与动应力

该文基于弹性动力学理论,采用复变函数与保角映射方法,研究了指数梯度材料中任意形孔洞对弹性波的散射与动应力集中,给出了问题的解析解.并以求解椭圆孔动应力集中系数为例,分析了入射波数和材料非均匀参数等对椭圆孔动应力分布的影响.     

半空间双相介质垂直界面裂纹附近圆形衬砌和半圆凹陷对SH波的散射EI北大核心CSCD

利用Green函数法、镜像法与多级坐标法,对半空间中半圆凹陷和圆形衬砌对SH波的散射进行分析,得到其稳态响应。利用镜像法得到了满足水平边界应力自由、垂直边界位移与应力连续的波函数解析表达式。根据垂直边界连续性条件,利用"裂纹切割法"和"契合法"建立起求解问题的第一类Fredholm型积分方程,得到了圆形衬砌周边的动应力集中系数与裂纹尖端动应力强度因子的解析表达式。数值算例分析了入射波数、衬砌深度、半圆凹陷大小、裂纹长度等对动应力集中系数、裂纹尖端动应力强度因子与地表位移的影响,并与已有文献进行比较。     

ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL TRANSIENT ACOUSTIC WAVE PROPAGATION USING THE BOUNDARY INTEGRAL EQUATION METHOD

This paper describes a boundary integral equation (boundary element) method for the solution of a variety of transient acoustic problems. The spatial and temporal discretization employs quadratic isoparametric elements with high-order Gauss quadrature, and the ensuing equations are implicit. The implicit formulation both eliminates the instabilities reported in explicit treatments, and permits a freedom of choice of timestep which can reduce costs dramatically. The accuracy of the approach is demonstrated by comparison with the analytical solution for a sphere. Results for more demanding sphere–cone–sphere geometries extending to seven wavelengths long are presented, and compared to those obtained from a related frequency domain approach.     

各向异性弹性层中SH波传播的边界元方法

本文利用坐标变换下的映象法求出了底部为刚性边界的各向异性弹性层中SH波传播问题的格林函数,并由此建立了求解分层介质问题的边界元方法。文中给出了在稳态线荷载作用下带有圆孔的弹性层中反应的计算实例。     

ON THE CHOICE OF A DERIVATIVE BOUNDARY ELEMENT FORMULATION USING HERMITE INTERPOLATION

This paper reports on some problems that can arise with the use of regularized derivative boundary integral equations. It concentrates on developing a formulation for the simple Laplace equation using a cubic Hermite interpolation and shows how certain combinations of derivative and conventional boundary integral equations can result in a solution scheme severely lacking in stability. With some simple two- and three-dimensional geometries, the derivative equations on their own do not provide enough information to solve a Dirichlet problem. Even combinations of the conventional and derivative equations fail for some simple geometries. We conclude that the only consistently successful combination is that of the conventional equation with the tangential derivative equation, which showed cubic convergence of results with mesh refinement. Numerical results are presented for this scheme in both two and three dimensions.     

求解三维物体波浪荷载的边界元模型

建立了求解规则波中任意形状三维物体绕射问题的边界元模型。设置辐射面将流场分为内、外场,外场中的绕射势用特征函数展开式解析表达,内场则由边界积分方程求解,所取的Green 函数为简单的1/r 形式。内场边界采用四边形面元和轴对称面元混合布置的划分方式,轴对称面元上奇点强度沿周向为Fourier 级数展开的高次分布,提高了求解三维绕射问题的精度和效率。经与直立圆柱绕射的线性理论解比较,验证了数值方法的可靠性。利用谱分析原理,将规则波中的结果拓展,得到多向不规则波中绕射物体所受波浪力的统计特性。     

开孔薄板弹性波散射与动应力集中

本文采用边界无法对开孔无限大薄板弹性波的散射与动应力集中问题进行理论分析和数值计算。基于动力学功的互等定理建立了薄板弯曲波动问题的边界积分方程,应用Mathematica软件首次推导了各影响系数的计算公式。最后,给出了圆孔附近的动应力集中系数的数值结果。     

半无限功能梯度材料结构中圆孔对弹性波的多重散射

基于弹性波多体散射理论,采用波函数展开法,研究了半无限指数梯度材料中圆孔对弹性波的多重散射和动应力集中,得到了问题的解析解,给出了圆孔动应力集中系数的数值解,分析了圆孔与边界的距离、入射波波数以及材料的非均匀参数对圆孔周围动应力集中系数的影响。分析表明:梯度材料的非均匀参数小于零时对最大动应力影响较小,但是对动应力在圆周的分布有较大影响;大于零时对最大动应力和动应力在圆周的分布影响都很大,特别是在圆孔与边界的距离较小时影响更大。     

带形介质内SH型导波对圆柱孔洞的动力分析

弹性板壳的反平面运动中由缺陷引起的应力集中问题可以按照带形介质中圆柱孔洞对SH型导波的散射问题来分析。首先,构造带形介质中相容导波的形式,即其满足上、下边界应力自由条件。之后,由波函数展开法给出圆柱孔洞散射波的级数表示,根据累次镜像叠加的方法构造由上、下边界反射所形成的相容的散射导波。最后,给定入射导波,由圆柱孔洞边界应力自由的条件来定解波函数级数的系数。数值算例求解了特定导波对圆柱孔洞的散射,给出了圆柱孔洞边沿的动应力分布,讨论了导波阶数、频率以及孔洞位置的影响。     

饱和土隧道内集中荷载作用下振动位移反应的Green函数解答

饱和土隧道在集中荷载作用下的隧道底面振动位移反应关系着饱和土的液化、震陷。根据饱和土中方形隧道的断面特征,采用两相饱和介质边界元法Green函数以及推导出的Lamb积分方程,计算出机车的集中振动引起的隧道底面振动反应表达式。结合具体算例,数值计算后表明结果可信。     

SOLVING TRANSIENT DYNAMIC CRACK PROBLEMS BY THE HYPERSINGULAR BOUNDARY ELEMENT METHOD

Abstract— The subject of hypersingular boundary integral equations is a rapidly developing topic due to the advantages which this kind of formulation offers compared to the standard boundary integral method. The hypersingular formulation is particularly well suited for fracture mechanics problems, where there are important gradients of the stress field and singularities. This formulation for time domain antiplane problems has been recently addressed by the authors and in the present paper, the formulation for time domain plane problems is presented and applied for the first time. A mixed Boundary Element approach based on the standard integral equation and the hypersingular integral equation is developed. The mixed formulation allows for a very simple discretization of the problem, where no subregion is needed. Conforming quadratic elements are used for the crack and the external boundaries. The hypersingular integral equation is used for collocation points within the crack elements, while the standard integral representation is used for the external boundaries. Several examples with different crack geometries are studied to illustrate the possibilities of the method. The Stress Intensity Factor (S.I.F.) is very accurately computed from the crack tip opening displacements along the crack tip element. The results show that the proposed approach for S.I.F. evaluation is simple and produces accurate solutions.