波散射问题求解中消除多次透射公式漂移失稳的一种措施

在采用多次透射公式求解结构-地基体系地震反应等波散射问题时,其稳定性是人们所关注和研究的重要方面。针对其漂移失稳机制的研究表明,在将总波场分离为入射波场和散射波场从而实现波动输入和多次透射边界条件施加的过程中,采用连续介质解析解给出的入射波场与计算中的实际入射波场存在较大差别,会导致漂移失稳现象的出现。基于此,提出了一种直观的改进措施,即利用多次透射边界建立边界计算区,从而获得入射波离散数值解,并应用于波动的输入过程。数值实验验证了该措施可以有效地消除计算中的漂移失稳现象,给出更为合理的计算结果。     

MTF与隐式有限元结合的数值模拟效果

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种应用性较广的局部人工边界条件,对于求解近场波动问题中的波源问题,MTF与隐式有限元相结合,波源振动是以集中荷载的方式施加在计算模型中间地表面上的一个作用点处。采用简单的空间内插方法实现高阶MTF。最后通过有限元数值模拟实验比较和讨论高阶与低阶透射边界数值结果的精度和稳定性。结果表明:对于一阶MTF,数值结果不易发生振荡失稳和漂移失稳;二阶、三阶、四阶MTF,数值模拟的结果易发生漂移失稳和振荡失稳,且随着N的增大,数值模拟的结果精确度越高,N越大,振荡失稳和漂移失稳出现的越早,失稳的程度越厉害,需要相应的抑制参数值也越大。     

地震分析中的人工边界及其在LS-DYNA中的实现

 地震分析中的局部人工边界由于具有易于实现、稳定性较好的特点,目前在时域有限元法中得到广泛应用。基于球坐标系的膨胀波(P波)和剪切波(S波)理论,引入无限介质线弹性本构关系,并采用多个平面子波和远场散射波混合透射,推导一种新的三维黏弹性人工边界方程。在有限元分析中采用边界单元作等效处理,并将地震加速度记录转化为基底边界单元上的等效节点力进行输入,建立一种新的地震反应数值模拟技术。最后以人防工程结构的地震分析为例,利用有限元软件LS-DYNA分析弹性边界、透射边界及黏弹性边界对计算结果的影响。数值模拟表明,黏弹性人工边界简单实用,可解决地震动输入和自由场响应模拟问题,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用,并验证其有效性。     

消除透射边界高频耦合失稳措施的注记

在波动有限元模拟中,由于有限元离散引入了在连续模型中并不存在的群速度向内的外行高频平面谐波,导致透射边界产生高频失稳。通过修改有限元刚度矩阵可以消除有限元支持的该类谐波,从而能够稳定实现透射边界,然而这一稳定措施仅局限于介质均匀分布的长方形单元网格划分模型。针对SH波动数值模拟,基于修正的数值积分方法推导了四边形单元的修正有限元格式,并将上述稳定措施推广至介质分布非均匀的非规则单元网格划分模型,数值试验验证了透射边界结合修正有限元能够长持时稳定。     

多次透射边界在ANSYS软件中的应用

利用ANSYS二次开发语言APDL和UIDL语言编制了用户程序包,使ANSYS在进行土—结构系统动力分析时,通过每一步计算,都能够利用模拟无限域影响的人工边界条件———多次透射公式对边界节点的位移进行修正的方法,实现了多次透射边界条件在ANSYS中的应用。数值实验表明,这种方法能够提高ANSYS进行土—结构体系动力反应分析时的计算精度,同时,也简化了地震动输入的处理步骤。     

粘弹性人工边界的有限元分析

采用数值方法集中比较了工程中广泛应用的几种人工边界在SSI体系分析中的动力反应,研究结果表明：粘性边界能较好的模拟土的边界但计算的位移会发生整体的飘逸,精度也不如粘弹性边界;粘弹性边界能很好的模拟土一结构相互作用体系中土的边界问题,但实现过程比较麻烦。     

考虑地形时多次透射边界的模拟精度研究

基于APDL二次开发语言,实现了点震源的等效体力及多次透射边界(MTF)在ANSYS有限元软件的施加,进而基于内源问题研究了考虑真实地形情况下多次透射边界对于外行波穿出人工边界过程的模拟精度,并分析了MTF中人工波速的选取对模拟精度的影响。结果表明:相比传统的粘性边界,MTF的模拟精度显著提高,除紧邻边界区域的误差在10%～15%外,大部分区域测点的模拟结果与远置解的最大误差在5%以下。同时,内源问题下人工波速取为介质剪切波速和压缩波速之间时的相对误差最小,取值显著小于介质剪切波速时的相对误差最大。     

分层土-箱基-框架结构在爆破地震作用下的计算分析

以野外大比例(1∶2)分层土–箱基–框架结构试验模型的爆破震动试验数据为基础,利用有限元软件ANSYS二次开发语言apdl二次开发,将多次透射公式(MTF)添加到软件中从而实现对无限域的模拟,进而利用整体动力有限元方法研究人工透射边界、箱基周围回填土属性、软弱夹层及地震波主频范围等参数对上部框架动力反应的影响。数值算例与试验结果对比表明:爆破震动作用下,考虑二阶透射边界的数值结果和试验结果吻合较好,能模拟结构的真实动力反应,而固定边界和固基假定的计算结果偏大;箱基埋置深度浅、下卧土层刚度较大时,箱基周围回填土属性对结构反应影响不大;场地土中的软弱夹层对上部结构起到隔振减震的作用;与高频爆破地震波相比,低频地震波所产生的结构加速度反应更大,对结构破坏作用更强;固基假定下的结构反应计算结果在一些特定情况下并不总偏安全。     

膜结构风振响应中的流固耦合效应研究进展

对膜结构风振响应中的流固耦合效应进行了探讨,介绍了解决该问题的两种思路:简化气弹模型方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法。简化气弹模型方法是先将流固耦合效应用附加质量和气动阻尼的形式来表达,再通过某些近似解析理论和气弹模型风洞试验来确定附加质量和气动阻尼的大小。计算流体力学数值模拟方法则是将计算流体力学技术和计算结构力学技术整合在一个有限元程序中,通过数值模拟得到结构流固耦合响应的全过程信息。基于这两种方法,开展了相应的理论推导、风洞试验和数值模拟工作,获得了关于风与膜结构相互作用机理的一些初步认识。最后提出了一种具有操作性的简化数值分析方法并给出了算例。研究结果表明:流固耦合效应对结构风振响应的影响在多数情况下是有利的,即考虑流固耦合效应的风振响应分析结果要比不考虑流固耦合时小30%左右,但也不排除在某些特殊情况下因出现气弹失稳而导致结构异常破坏的可能性。     

考虑局部失稳的盾构隧道开挖面#br# 挤出破坏数值模拟与理论分析

通过数值模拟和理论分析,研究了盾构隧道开挖面挤出破坏机理。首先,利用有限元软件进行了数值模拟,揭示了隧道开挖面挤出破坏的局部失稳模式,得到了盾构隧道开挖面挤出破坏的局部失稳比和极限支护压力。此外,还进行了摩擦角和相对埋深对局部失稳比率和极限支护压力的参数敏感性分析。其次,基于极限分析方法,提出了一种考虑局部失稳模式的隧道开挖面挤出破坏新机制。新的被动破坏机理由五个圆锥台和作用在圆锥台上的分布力组成。通过对定义的角度和隧道开挖面局部失稳直径进行数值优化,计算得到挤出破坏模型的上限解,进而研究了摩擦角和相对埋深对局部失稳比的影响。比较了数值模拟和理论分析得出的局部失稳比结果。最后,将获得的被动极限支护压力与现有方法进行了比较,表明新的挤出破坏机理为极限支护压力提供了较为满意的预测结果。     

水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验及数值模拟研究

自然或人工边坡的稳定性研究是当前岩土工程研究领域的热点问题之一。随着三峡等大型水利设施的兴建和投入使用,水位骤降对边坡稳定性影响也引起人们的广泛关注。通过室内模型试验研究水位骤降引发临水边坡滑坡的原因及失稳模式是经济、便捷的常用方法。本试验模型箱的尺寸为2.5m×1.5m×1.5m(长×宽×高),边坡高度为1.05m。边坡体内埋设了10只土压力盒和7只渗压计,用于测量水位骤降过程中土压力和孔隙水压力的变化情况,记录边坡失稳破坏过程中土体内部的变化过程。同时,利用geo-slope软件模拟边坡失稳破坏的整个过程,并且利用数值模拟的结果与试验结果进行对比分析,解释边坡破坏的机理。试验结果表明:水位骤降对边坡稳定性产生很大影响,水位下降速度越快,边坡沉降也就越大,最后形成明显的位移集中区域;边坡的安全系数分别随着水位高程的减小、水位下降时间的增加出现增加最后趋于稳定;在此土质、坡形条件下的边坡破坏的形态与数值模拟所得8min时滑动面的形态相吻合,据此也用试验验证了数值模拟的可靠性。     

A check on the numerical stability of frame analysis solutions

A method of checking numerical instability in a frame solution is to compare the values of ‘decomposed’ loading diagonal elements of the structural stiffness matrix with their original values. Using this comparison a number of practical cases are studied to indicate how situations in which numerical instability is likely can be identified.     

基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析

基于土–水两相混合体完全耦合场方程及土体静–动统一本构,构建了新型普适性土层弹塑性大变形地震反应分析方法。考虑强震中土体大变形动力特性描述的困难,基于客观性张量推导,给出了严格的土–水两相混合体平衡方程式和连续方程式,分别进行空间和时间离散,编制了显式有限元–有限差分程序。通过超固结、结构性和应力诱导各向异性状态变量的引入,建立了物理意义明确的土体静–动统一本构,能够合理的表征土体的各类力学特性。数值计算中采用转换应力法,实现了试验应力状态向一般应力状态的拓展,满足复杂三维地层的动力计算需求。通过局部透射人工边界的设置,形成了辐射边界条件,构建了完备的土层反应程序。将分析结果与等效线性化方法和单相介质时域非线性分析结果进行对比,指出饱水砂土层的存在对地震波传播和地表地震动反应特性的影响。     

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅱ)：稳定渗流计算

承接上文的工作，给出了三维裂隙网络中稳定渗流的数值解法。每个裂隙被看作一个二维均质各向同性渗流域。数值方法采用边界元法，可以降低问题的维数，并可方便地对裂隙进行自动单元剖分。讨论了渗流问题控制方程基本解的确定，证明了3个常见基本解的等价性。编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow，并设计算例校核了程序的正确性。     

高地应力硬脆性围岩隧道失稳机理及处置措施

为探究高地应力硬脆性裂隙围岩区隧道失稳及结构破坏机理,并提出系统的处置措施,笔者通过对在建米仓山隧道进行现场调查,分析了高地应力破碎围岩区隧道开挖引发的围岩失稳破坏的特点,并结合特定的地质条件,利用能量理论对隧道施工过程进行数值模拟,分析模拟结果得到:米仓山隧道掌子面失稳主要原因是高地应力引起的能量超过岩体的最大承受能力,而岩体破碎是导致支护破坏的直接因素。基于此,文中提出了以下处置措施:(1)降低隧道围岩体内的能量;(2)采用“短进尺、弱爆破”的方式掘进;(3)初期支护结构采用双重支护,并加强监控量测;(4)将径向锚杆更换成兼起应力释放、锚杆、注浆填充作用的径向小导管。