竖向成层介质中标量波传播问题的高精度人工边界条件

为了实现含竖向成层介质以及表面不规则地形场地中标量波传播问题的高效且高精度求解,该文基于连分式展开和扩展的一致边界,建立了一种频域下折线形高精度人工边界条件。通过在每个竖向地层内引入独立的斜角坐标变换,新的人工边界条件可以用于多起伏地表地形条件。新的折线形人工边界在频域下推导,仅含有连分式阶数一个待定实参数,用于调整计算精度,该参数不随外行波的频率和传播角度改变。人工边界条件可以与内域有限元方程无缝耦合,应用简单方便。由于新边界条件的高精度,内域尺寸可以取较小甚至可以直接将人工边界加在结构周围或者地表,从而极大提高计算效率。通过典型数值算例,将人工边界计算模型与有限元大模型的解进行了对比分析,验证了该文提出的折线形人工边界条件的有效性和高精度。     

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。     

地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法

针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法.基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结...     

地震作用下水-结构-土动力相互作用分析

该文基于ABAQUS建立了地震作用下水-结构-土系统数值模型,分析了地震动水平和竖向作用时在不同水深条件下水-结构、水-土相互作用对结构、土体和水体响应的影响.结果表明,水平地震动作用下水-土相互作用对系统响应的影响远小于水-结构相互作用,且对水、土、结构响应的影响较小,可忽略不计.竖向地震动作用下水-结构相互作用对系...     

考虑水-结构-土相互作用下深水圆柱的地震响应分析

以水中圆柱体为模型,考虑水?结构?土的相互作用,研究柱体结构在地震和波浪共同作用下的动力响应.采用有限元法将柔性柱体结构离散为欧拉?伯努利梁单元,水?结构相互作用通过附加质量代替,土?结构相互作用通过线性弹簧代替.基于结构自振频率分析,讨论土?结构和水?结构相互作用对结构自振频率的影响.研究土?结构相互作用、地震动水力...     

二维土-结构地震动力相互作用时域有限元分析

土与结构动力相互作用是地震工程研究中的一个十分重要的课题。给出了分析地震作用下二维土-结构动力相互作用的时域有限元方法。重点放在如何模拟瞬态波在无穷介质中的传播以及如何实现地震动的输入方面。在给出的有限元过程中,地震动的输入方法以及用于截断无穷介质以获得有限计算域的局部透射人工边界都是基于柱面波动方程推导建立的,这种方法非常简单有效,结合Newmark时间积分法是无条件稳定的,使得时域计算有效而可靠。数值算例验证了这种方法的精度和有效性。     

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。     

动力荷载作用下水-桩-土相互作用简化分析研究EI北大核心CSCD

针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界条件,并确定了合理的截断边界位置;以全耦合分析模型计算结果为参考解,系统研究了四种动荷载作用下水-桩不耦合(两者界面自由)和水-土不耦合(两者界面自由)对桩体和海床表面位移和动水压力响应的影响,揭示了不同水深和桩体半径变化下不考虑两种相互作用的影响规律。     

大比例模型结构-桩-土动力相互作用试验研究与理论分析

介绍了一个土-桩-框架结构1/2比例模型动力相互作用野外试验研究,通过对模型进行地脉动测试得到了其基频,并分别在忽略重力、欠人工质量、人工质量三种工况下进行了模型的顶部牵引激励试验和顶部机械激励试验,且在时域和频域内分析了试验结果,得到了一些有益结果。此外,研究了考虑土体动力非线性特征的粘弹性人工边界,提出了考虑桩土动力相互作用中桩土分离、滑移以及基础提离效应的接触模型,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗。建立了试验模型结构的三维有限元分析模型,通过对模型试验的模拟计算验证了有限元模型的可靠性,进而进行了不同地震动输入下的地震反应分析,总结了一些规律性结果。     

Rayleigh波作用下桩-土-桥梁结构动力相互作用问题研究

基于等效粘弹性人工边界单元建立了可考虑成层介质及Rayleigh波输入的二维有限元时域模型,计算了Rayleigh波作用下成层介质与均匀介质的自由场反应,与理论解比较表明有限元计算结果具有较好的工程精度。针对Rayleigh波作用下桩-土-典型刚构桥梁结构动力反应进行了分析,考虑了场地条件的不同、软夹层位置的改变、不同频率Rayleigh波的输入以及桩长对Rayleigh波传播与场地地震反应的影响,对影响因素进行了讨论。     

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。     

三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元

基于粘弹性人工边界推导了三维一致粘弹性人工边界单元的刚度及阻尼矩阵,利用单元矩阵等效原理采用普通有限单元构造了等效粘弹性边界单元来模拟三维粘弹性边界。均匀半空间算例与成层半空间算例证明三维粘弹性边界单元具有与集中粘弹性人工边界相近的精度,并且施加更为简便。     

波动数值模拟中的吸收边界条件

为了提高人工边界条件在波动输入边界和自由场边界的精度,该文扩展了Higdon一阶吸收边界条件,并编制了相应的有限元计算程序。该方法将输入波分量引入到Higdon吸收边界条件当中,利用最小二乘法,用吸收边界邻域内的应变场和速度场计算Higdon边界条件公式中的参数,实现了吸收边界条件的自动更新。并且,该文提出了既适用于波...     

基于有限元与宽频快速多极边界元的二维流固耦合声场分析

采用有限元/快速多极边界元法进行水下弹性结构的辐射和散射声场分析。Burton-Miller法用于解决传统单Helmholtz边界积分方程在求解外边界值问题时出现的非唯一解的问题。该文采用GMRES和快速多极算法加速求解系统方程。针对传统快速算法在高频处效率低和对角式快速算法在低频处不稳定这一问题,该文通过结合这两种快速算法形成宽频快速算法来克服。同时该文通过观察不同参数条件设置下,宽频快速多极法得到的数值结果在计算精度和计算时间上的变化,得到最优的参数组合值。最后通过数值算例验证该文算法的正确性和有效性。     

超弹性柔性结构与流体耦合运动的浸入边界法研究

浸入边界法是模拟大变形柔性弹性结构和粘性流体相互作用的重要数值方法之一。该文有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法,对圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法求解,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。通过数值计算,得到柔性超弹性结构的耦合振动特性和流场动态分布特性,并将计算结果同其他文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。     

Explicit finite element artificial boundary scheme for transient scalar waves in two‐dimensional unbounded waveguide

To simulate the transient scalar wave propagation in a two‐dimensional unbounded waveguide, an explicit finite element artificial boundary scheme is proposed, which couples the standard dynamic finite element method for complex near field and a high‐order accurate artificial boundary condition (ABC) for simple far field. An exact dynamic‐stiffness ABC that is global in space and time is constructed. A temporal localization method is developed, which consists of the rational function approximation in the frequency domain and the auxiliary variable realization into time domain. This method is applied to the dynamic‐stiffness ABC to result in a high‐order accurate ABC that is local in time but global in space. By discretizing the high‐order accurate ABC along artificial boundary and coupling the result with the standard lumped‐mass finite element equation of near field, a coupled dynamic equation is obtained, which is a symmetric system of purely second‐order ordinary differential equations in time with the diagonal mass and non‐diagonal damping matrices. A new explicit time integration algorithm in structural dynamics is used to solve this equation. Numerical examples are given to demonstrate the effectiveness of the proposed scheme. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维热弹性力学问题的混合边界元法

本本文给出了三维无限大域内点热源作用下的位移、应力场基本解。采用基于虚拟热源法的间接边界元法和直接边界元法的混合边界元法求解三维有限域热弹性力学问题,有效地避免了热弹性力学问题中域内积分的处理。数值计算表明混合边界元法求热弹性力学问题具有简单方便、精度较高的优点。     

横观各向同性土介质与结构物共同作用的有限元与边界元耦合分析

本文采用有限元与边界元耦合方法对上与结构物进行共同作用的分析．其中上部结构采用有限元子结构法，地基上考虑为横观各向同性特性，应用边界元法，通过基础界面上位移连续、面力平衡的条件进行耦合分析．编制了相应的计算程序，对某高层空间剪力培与地基的共同作用进行了计算，与有限元法和实测结果进行了对比分析，得到了满意的结果．说明：有限元和边界元的耦合方法能充分发挥两者的优越性，不失为共同作用分析的一种有效途径．