基于精细时程积分的u-p格式饱和两相介质动力问题的显-显式时域算法

时域算法的计算效率是求解实际非线性或大量自由度等工程问题最重要的影响因素,而显式算法是提高计算效率最有效的手段。针对u-p格式饱和两相介质动力方程,实现显-显式算法的必要前提是质量矩阵M和流体压缩矩阵S的对角化处理,且整体算法的计算精度和稳定性同样需要权衡。基于对角化的M和S矩阵,将高精度和稳定性的精细时程积分法应用于求解液相方程,并结合求解固、液两相动力方程的中心差分法,提出了一种新的显-显式的高效时域算法。理论分析和数值试验结果均说明提出方法具有良好的稳定性和较高的计算精度。     

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析EI北大核心CSCD

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应

首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程并得到传递矩阵。进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题。数值算例表明采用各向同性饱和介质的动力学模型,不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性。     

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。     

浅层地震勘探中的波场模拟及其应用

本文应用有限差分法求解声波波动方程,推导出时间域二阶空间域四阶的递推公式,同时对波场数值模拟过程中初始条件的给予、震源子波的选择、边界吸收的实现、稳定性的保证及频散的压制等问题进行了探讨和研究,为应用有限差分法进行波场数值模拟提供理论指导。     

基于微分求积法及V-变换的大规模动力系统快速数值计算方法

针对大规模动力系统动态响应的数值计算,传统的微分求积法通常在时间域上逐步离散、整体求解,存在“维数灾”问题。在多级高阶时域微分求积法的基础上,提出了基于V-变换的大规模动力系统动态响应的快速数值计算方法。利用微分求积法的加权系数矩阵满足V-变换这一重要特性,将离散后的雅可比矩阵方程进行解耦分块,推导形成了多级分块递推计算方法。数值算例表明,即使采用相当于Newmark方法2s倍的步长,微分求积法的计算精度仍比Newmark方法要高出2~3个数量级。进一步对3个不同规模的算例系统进行了测试,结果表明：相对于传统的数值计算方法,多级分块递推计算方法可以获得较大的加速比,能够显著提高大规模动力系统动态响应的计算效率。     

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。     

非平稳激励下结构随机振动时域分析法

根据线性动力系统输入与输出之间的线性关系特性,探讨非平稳随机激励下结构随机振动的时域求解方法。把结构动力方程写成状态方程形式,同时把非平稳随机激励向量离散为一系列时间截口随机向量。采用精细积分法对状态方程进行数值求解,可建立任意离散时刻结构响应关于时间截口随机向量的显式线性表达式。基于该显式表达式:一方面可以直接利用一阶矩和二阶矩的运算规律计算任意离散时刻结构响应的均值和方差;另一方面也可进一步实施蒙特卡罗数值模拟,这除了可以得到结构响应的均值和方差时程外,还可以得到结构非平稳随机响应的演化概率密度函数。所提出的方法对随机激励方式没有任何限制,适用面广,且具有计算精度高、计算效率大幅提高以及获得响应统计信息全面等优点。数值算例显示了该文方法的上述优点。     

斜入射下水下地基场地地震输入的一维化时域方法

地震波斜入射下水下地基场地地震动输入问题,是涉及水层、饱和多孔介质和基岩三种不同性质介质耦合的复杂问题,目前理论成果还很匮乏。该文在现有的成层饱和多孔介质平面波斜入射的一维化时域方法的基础上,建立了水下地基场地的一维化时域计算方法。该计算方法依据Snell定理,将地震波斜入射下水层波动的空间二维问题转化为简单的一维问题,通过考虑水层与饱和多孔介质层交界面、不同饱和多孔介质交界面以及基岩与饱和多孔介质层交界面的边界条件,将已有的成层饱和土的一维化有限元方程与水层的一维化有限元方程组装,采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,形成了水下地基场地的整体有限元方程,借助于中心差分法和Newmark法相结合的时步积分法,推导了地震波斜入射下水下地基场地各节点动力响应时程的显式表达式。通过与傅里叶变换得到的理论解和现有的文献进行了对比,初步验证了该文时域算法的有效性和精度,为地震波斜入射下水下地基场地地震动输入提供了一种新型高效的研究方法。     

DQEM for analyzing dynamic characteristics of layered fluid-saturated porous elastic media

Based on the Porous Media Theory presented by de Boer, the governing differential equations for a layered space-axisymmetrical fluid-saturated porous elastic body are firstly established, in which the suitable interface conditions between layers are presented. Then, a differential quadrature element method (DQEM) is developed, and the DQEM and the second-order backward difference scheme are applied to discretize the governing differential equations of the problem in the spatial and temporal domain, respectively. In order to show the validity of the present analysis, the dynamic response of a fluid-saturated porous medium is analyzed, and the obtained numerical results are directly compared with the existing analytical results. The effects of the numbers of the elements and grid points on the convergence of the numerical results are considered. Finally, the dynamic characteristics of a layered fluid-saturated elastic soil cylinder subjected to a water pressure or a dynamic loading are studied, and the effects of material parameters are considered in detail. From the above numerical results, it can be found that the DQEM has advantages, such as little amount in computation, good stability and convergence as well as high accuracy, so it is a very efficient method for solving the problems in soil mechanics, especially such problems with discontinuities.     

Application of 3D time domain boundary element formulation to wave propagation in poroelastic solids

The dynamic responses of fluid-saturated semi-infinite porous continua to transient excitations such as seismic waves or ground vibrations are important in the design of soil-structure systems. Biot's theory of porous media governs the wave propagation in a porous elastic solid infiltrated with fluid. The significant difference to an elastic solid is the appearance of the so-called slow compressional wave. The most powerful methodology to tackle wave propagation in a semi-infinite homogeneous poroelastic domain is the boundary element method (BEM). To model the dynamic behavior of a poroelastic material in the time domain, the time domain fundamental solution is needed. Such solution however does not exist in closed form. The recently developed ‘convolution quadrature method’, proposed by Lubich, utilizes the existing Laplace transformed fundamental solution and makes it possible to work in the time domain. Hence, applying this quadrature formula to the time dependent boundary integral equation, a time-stepping procedure is obtained based only on the Laplace domain fundamental solution and a linear multistep method. Finally, two examples show both the accuracy of the proposed time-stepping procedure and the appearance of the slow compressional wave, additionally to the other waves known from elastodynamics.     

含液饱和多孔二维梁的动力特性分析

基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,分析了含液饱和多孔二维简支梁的动力响应,其中考虑了固体颗粒和流体的可压缩性以及孔隙流体的粘滞性。通过Fourier级数展开和常微分方程组的求解,得到了含液饱和多孔二维梁动力响应问题的解,并将其退化为单相固体二维梁的情形与Bernoulli-Euler梁和Timoshenko梁的自由振动相比较,验证了该文方法的正确性。作为数值算例,分析了含液饱和多孔二维梁的自由振动以及在均布简谐荷载作用下的动力响应特性,分析了表面渗透条件、孔隙流体渗透系数和荷载频率等参数对含液饱和多孔二维梁的自由振动频率、固相位移和孔隙流体压力等物理量的影响。     

流体饱和孔隙介质参数反演的模拟退火算法

本文研究了模拟退火算法在流体饱和孔隙介质参数反演中的应用。通过计算响应数据与实测响应数据的拟合将参数反问题归结为最优化问题。由于流体饱和孔隙介质运动方程的复杂性，动力响应与材料参数之间呈复杂的非线性关系，优化目标函数是非凸多峰函数。传统的梯度类优化方法一方面受局部极值的困扰难以搜索到全局最优解； 另一方面确定搜索方向须进行复杂的参数敏度分析。为克服这些困难，本文应用模拟退火算法进行了多参数反演数值模拟，模拟结果表明了模拟退火算法的可行性和稳健性。     

Energy focusing and the shapes of wave fronts in anisotropic fluid-saturated porous media

Summary The purpose of this paper is to investigate the energy focusing pattern evolution in the parameter space while the wave fronts propagate in the anisotropic fluid-saturated porous media. Firstly, the bifurcation conditions for a general anisotropic fluid-saturated porous material are deduced. Then, by choosing the material parameters as control variables, the influence of the anisotropy of the solid skeleton and pore fluid parameters on the development characteristics of energy focusing patterns is discussed, and the three-dimensional configurations for the focusing structures are explored. The results indicate that the energy focusing also exists on the wave fronts of the slow waves, which is a particular propagation characteristic for the slow waves in anisotropic fluid-saturated porous media. The distinct trends for the slow wave energy focusing are revealed. This has significant meaning in further understanding the roles of the fluid phase in the dynamic response of the fluid-saturated porous media.     

Hygrothermomechanical evaluation of porous media under finite deformation. Part I - finite element formulations

The coupled thermomechanical responses of fluid-saturated porous continua subjected to finite deformation are investigated. Field equations governing the transient response of the media are derived from a continuum thermodynamics mixture theory based on mass balance, momentum balance and energy balance laws as well as the Clausius-Duhem inequality. Finite element procedures for the two-dimensional response, employing updated Lagrangian formulations for the solid skeleton deformation and the weak formulations for fluid and thermal transport equations, are implemented in a fully implicit form. Temperature-dependent mechanical properties for the non-linear solid matrix, characterized by Perzyna's viscoplastic model, are assumed. An iterative scheme based on the full Newton-Raphson method is presented for simultaneously solving the coupled non-linear equations.