结构-地基动力相互作用时域数值分析的显-隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上,提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法,分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解,而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分,具有相同的运动量数值积分假定,可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下,分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高,可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究,可为具体计算中的参数选择提供依据。     

结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上，提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法，分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解，而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分，具有相同的运动量数值积分假定，可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下，分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高，可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究，可为具体计算中的参数选择提供依据。     

基于耦合时域的数值流形法岩石边坡动态稳定性分析

提出一种基于时间域耦合时间积分算法的数值流形法,以提高原有算法的计算效率.此算法包括耦合显式-隐式时间积分方案,相位转换准则及接触准则.为验证所提算法,对一个地震激励作用下沿倾斜边坡滑移的块体运动和简谐激励下单个块体的摇摆响应进行数值模拟.同时,将开发的算法应用到一个露天矿边坡的动态稳定性分析当中,数值分析结果和现场观...     

使用基于模型的积分算法的钢框架非线性时程分析

基于模型的积分算法为新近提出的一类同时具有无条件稳定及显式两种特性的积分算法。为了更加深入地了解该类算法的计算流程及计算效果,使用一种基于模型的积分算法对钢框架进行地震作用下的非线性时程分析。采用基于刚度的纤维梁柱单元来建立钢框架的有限元模型,并采用基于模型的积分算法求解结构运动方程,详细地给出了分析步骤。根据美国规范,设计了一个四层钢框架。利用Matlab/Simulink编制了有限元数值仿真平台,建立了钢框架的有限元模型。同时,使用OpenSees软件建立了相同的结构模型,并采用Newmark常平均加速度法。OpenSees模型的分析结果作为参照。结果表明：在使用基于模型的积分算法时,不需要迭代。此外,即便积分时间步长较大时,基于模型的积分算法依然具有较高的精度。     

基于Cosserat连续体的CAP弹塑性模型与 应变局部化有限元模拟

提出了一个非光滑多重屈服面的CAP弹塑性Cosserat连续体模型.考虑到Cosserat连续体理论的特点,将其应力和应变速率向量的偏量和球量部分分离,针对各分屈服面分别被激活及某两个屈服面同时被激活的情况,发展了非线性本构速率方程积分的一致性算法,且率本构方程积分的返回映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵均为显式表示,避免了计算切线本构模量矩阵时的矩阵求逆.利用所发展的模型和一致性算法,数值模拟了平面应变条件下由应变软化及非关联塑性引起的边坡渐进破坏问题和隧道开挖问题.数值结果表明,所发展的模型和一致性算法在保持应变局部化问题的适定性、保证数值求解过程的收敛性和计算效率等方面具有良好的性能.     

ABAQUS在超高层结构动力弹塑性分析的应用研究

为提高ABAQUS在超高层建筑动力弹塑性模拟方面的适用性问题,提高ABAQUS的建模、计算效率及应用的灵活性,基于塑性损伤力学理论独立开发了适用于混凝土梁柱纤维模型的混凝土一维拉压循环加载材料模型。利用钢筋混凝土板的塑性绞线理论解决了异形钢筋混凝土板的导荷问题,同时利用铺网格法实现了对楼板及墙单元的精细剖分。通过用户子程序开发,实现了在ABAQUS显式算法中应用振型阻尼,避免了在显式算法中采用瑞雷阻尼带来的模拟精度难以保证的问题。根据ABAQUS的能力和特点,完善了隐式算法和显式算法对超高层结构的模拟路径。通过采取适当措施在两种算法中均实现了计算精度与计算速度的统一。对比研究算例显示,隐式积分算法与振型叠加法结果较为接近。显式积分算法对阻尼比的取值较为敏感,同样的阻尼比取值达到的阻尼效果比隐式积分算法大。     

高度非线性弹塑性模型的半隐式算法实现

对高度非线性弹塑性本构模型当采用全显式算法进行数值实现的过程中存在误差积累和精度较低的缺点。当采用Newton-CPPM隐式算法进行数值实现的过程中容易出现Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。为提高精度、改善收敛性并提高计算效率,提出一种半隐式算法,并采用半隐式算法对Newton-CPPM算法的迭代初值进行改进,形成了改进的隐式算法。最后,以考虑结构性的SANICLAY模型为例,对全显式算法、半隐式算法、隐式算法和改进隐式算法在计算收敛性、计算效率和计算精度方面进行对比。结果表明,半隐式算法可以有效解决显式算法精度低和误差积累的缺点,其计算精度与改进后的隐式算法的计算精度相近。改进后的隐式算法可以有效解决Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。     

隧道时程动力反应分析改进算法

在Newmark隐式积分方法的基础上，提出了提高计算效率的改进方法，并指出非线性动力分析中，处理初始静应力场应注意的问题。以某一隧道为例，计算了其在列车动力荷载作用下的反应，并与显式方法进行了比较。计算表明，改进的计算方法，较大地提高了隐式方法的计算效率，且采用无条件稳定的隐式积分方法计算所需要的时间大大小于显式积分方法所需要的时间。对于隧道等地下结构的动力反应分析，宜使用无条件的稳定的隐式时间积分方法求解。     

基于显式时间积分的非连续变形分析方法

非连续变形分析(DDA)方法非常适合应用于模拟高度离散化的岩石块体系统的力学行为。然而,传统采取隐式时间积分方案的DDA方法,在运算过程中需要集成总体刚度矩阵和求解矩阵方程,这直接导致计算效率的降低,尤其在求解大规模非连续问题时。因此,提出一种基于显式时间积分的二维显式DDA方法。在求解过程中,不需要集成总体刚度矩阵和求解大型代数方程组。在求解加速度时,由于采用协调质量矩阵,可以分块求解,求解过程简单省时。仍沿用原DDA的开闭迭代算法,可确保块体间约束的准确施加,保证了求解精度。最后,通过几个典型算例,证实显式DDA的正确性和鲁棒性。     

压力相关弹塑性Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟

提出了一个压力相关弹塑性Cosserat 连续体模型。具体考虑非关联Drucker-Prager 屈服准则,应力和应变速率向量的偏量和球量部分分离,在Cosserat 连续体模型的框架下,推导出压力相关弹塑性Cosserat 连续体本构模型的一致性算法:率本构方程积分的返回映射算法和压力相关弹塑性切线本构模量矩阵的闭合型显式表示。避免了计算切线本构模量矩阵时的矩阵求逆,保证了模型的数值求解过程的收敛性与计算效率。利用所发展的模型和有限元法,对应变软化引起的平面应变问题中的应变局部化现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,所发展的模型能保持应变局部化边值问题适定性、再现应变局部化问题特征:塑性应变局限于局部处急剧发生和发展以及随塑性变形发展的整体承载能力下降等方面的性能。     

结构可靠度分析的有限单元数值逼近法

结构可靠度分析中失效概率本质上是随机变量失效域的多维积分问题,针对蒙特卡洛法(MCS)处理小概率事件时工作量大、效率低且误差分析困难的不足,将有限单元法应用于该类问题,提出了结构可靠度计算的有限单元数值逼近法。该算法首先对计算结果预设误差限,在此误差限内利用随机分布的概率集中性,将基本变量的概率分布空间分为高概率区间和低概率区间。为提高计算效率,舍弃低概率区间保留高概率区间建立计算域。采用有限单元法将计算域均匀划分为有限个互不重叠的单元,经筛选、累加位于失效域内单元的概率计算近似失效概率。通过增加有限单元法划分精细度实现数值逼近的计算过程,得到满足预设误差范围的失效概率。使用MCS法做对照,验算了三个数值算例,结果表明:新算法在同精度下计算效率显著提高,且具有较强的鲁棒性;可获得计算结果的误差范围。     

启发式粒子群优化算法及其在空间结构优化中的应用

介绍了应用于结构离散变量的标准粒子群优化算法(PSO)及被动群集的粒子群优化算法(PSOPC),指出了两者在处理约束条件方面的不足之处.在基于“和谐搜索“算法(Harmony Search)产生新解的思想基础上,提出了应用于结构离散变量的启发式粒子群优化算法(HPSO).应用所提出的HPSO算法对多个平面及空间桁架结构进行了截面优化设计,数值计算结果表明本文提出的启发式粒子群优化算法(HPSO)可以搜索到最优解,并且具有较高的收敛速度,尤其在迭代计算的初期,计算效率非常明显.HPSO算法明显提高了PSO算法的效率.     

大规模建筑结构非线性显式动力分析的振型阻尼实现

为保证结构大震非线性显式动力时程分析和小震反应谱分析阻尼模型的一致性,提出了三种阻尼模型(振型阻尼、振型阻尼结合刚度阻尼、振型阻尼结合质量阻尼)的显式积分格式,并从显式求解精度、稳定性以及对高阶振型放大响应的抑制作用的角度对三种振型阻尼模型进行了分析。采用PKPM-SAUSAGE软件,通过某实际工程算例的小震反应谱计算结果和采用三种振型阻尼的显式动力时程计算结果的对比,分析了高阶振型放大响应对结构动力分析的影响以及三种振型阻尼对高阶振型放大响应的抑制作用,结果表明振型阻尼结合质量阻尼综合效果较好。     

u–p格式饱和两相介质动力问题的显–隐式交替算法

针对以土骨架位移u和孔隙流体压力p为基本未知量的饱和两相介质动力方程,提出基于中心差分法和精细时程积分法相结合的时域显–隐交替算法,分析饱和两相介质动力反应。该算法对孔压方程非齐次项的计算分别采用Gauss积分,梯形积分和Lagrange二次插值函数近似位移的方法近似模拟;同时提出一种基于精细积分方法的三次样条插值函数法,进而回避了对孔压方程耦合速度项积分时涉及的矩阵求逆运算问题。计算结果与Zienkiewicz显–隐式结果对比,两者结果基本一致,证明了方法的有效性。     

地震荷载作用下弹塑性动力分析的数值计算方法

结构在地震荷载作用下弹塑性动力分析方法是目前发展较快的一种方法，振动体系在地震波作用下的振动方程的求解一般采用的是直接处理反应的数值积分方法，这些数值方法又分为显式积分和隐式积分两种。在选择积分方法时，主要考虑振动方程的稳定性和精度，因此对计算方法（线性加速度法，Newmark－β法，Wilsom－θ法，中心差分法，龙格－库塔法）的取用不同，获得的结果和收敛精度不相同，本文通过电算分析，比较了这几种算法的精度和收敛性，得出了应用这几种算法在不同条件下的适用性。     

基于中心差分方案的显式三维非连续变形分析法

为提高传统三维非连续变形分析法(DDA)求解大规模非连续问题时的效率,提出一种基于中心差分方案的显式三维DDA,求解过程简单省时且更便于实现高效的并行计算。基于最先侵入和最短退出路径原则,推导时间步内2种基本接触侵入形式的侵入点对位置的估算公式,明确侵入信息的参数种类,从而保证时域离散下块体间接触约束的时空连贯性、降低接触问题的非线性、提高接触力学计算的精度并减少重复计算量。数值算例表明,显式三维DDA具有足够的计算精度且计算效率更高,实现并行计算后有望应用于大型岩体工程非连续数值分析。     

流固耦合系统位移-压力有限元格式在渡槽动力分析中的应用

考虑FSI的边界条件,采用变分原理建立了流固耦合(FSI)系统的位移-压力(ui,p)有限元格式,给出流固耦合系统的动力特性方程。建立了矩型和U形渡槽的动力学分析的FSI模型,以非对称特征值求解法求解了大型渡槽的动力特性,并用隐式-显式积分算法计算了强震作用下大型渡槽的动力响应,计算结果表明,基于(ui,p)格式的流固耦合系统有限元分析格式,考虑了槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算效率和精度,同时也得出不同过水量下两种渡槽结构动力特性和响应的变化规律等结论,可为大型渡槽及同类工程动力设计提供参考。     

岩石工程长期稳定性智能反馈分析方法及应用研究

 博士学位论文摘要：岩体流变是影响岩石工程长期稳定性的重要因素之一,对岩体流变的研究前人已作了许多工作,取得了丰富的研究成果,但模型识别和参数辨识上仍有一些不足。岩石是一种复杂的地质材料,其周围的地质环境和工程施工环境也是复杂的,而且是变化的,这使得人们对其认识很难一步到位,因此,对岩石介质进行反复认识是必要的。为此,提出一种岩石工程长期稳定性智能反馈分析法,该方法根据现场反馈信息,对岩体不断分析研究,必要时修正流变模型结构及其参数;该方法及时动态的将现场信息和地质分析模型联系起来,现场信息既是建模的重要依据又是验证模型正确与否的重要指标,而模型分析结果又能及时为设计、施工和长期稳定性维护提供合理建议。工程实例验证了方法的可行性、合理性与优越性：(1) 为了提高流变模型参数识别速度与精度,防止陷入局部最优,对遗传算法和粒子群算法进行了系统地研究,针对其不足,分别进行了改进,提出了压缩搜索空间与速度范围的粒子群优化算法(CSV-PSO)和自适应搜索空间的混沌遗传混合算法(SA-CGA)。实例表明2种改进算法的优化性能都是优越的,并对2种算法进行了参数敏感性分析,为算法稳定快速收敛提供了参数参考取值区间。(2) 针对流变模型辨识存在的不足,利用遗传规划算法(GP)善于动态处理模型结构的特点,提出了一种黏弹性组合模型自适应识别方法,该方法不仅仅局限于现有的几种流变模型结构,而是对组合模型的整个结构空间进行搜索,通过流变模型、GP结构树和流变本构方程之间的相互转换,实现了模型结构参数同时识别,不同于传统的模型识别算法。乌江构皮滩水电站的实例计算表明了该算法的可行性及在发现新模型中的鲁棒性,为黏弹性本构模型识别提供了一条的新途径。(3) GP算法进行模型识别时,将会产生许多流变模型,而目前数值软件包含的流变模型一般都是常用的几种经典模型,无法实现对GP算法产生的流变模型一一识别,为此,从黏弹性等效原理出发,推导了黏弹塑性统一本构模型有限差分方程,在C++环境下对FLAC进行了二次开发,实现了与GP算法程序的无逢衔接,并通过与FLAC已有模型对比验证了二次开发模型的正确性。以此为基础,结合CSV-PSO算法,提出了基于快速拉格拉日法的全局并行CSV-PSO流变模型参数反演方法。(4) 以自适应流变本构模型识别算法和基于快速拉格拉日法的全局并行CSV-PSO流变模型参数反演方法为基础,建立了动态更新数据、修正模型和参数的长期稳定性智能反馈分析系统,在VC++环境下开发了相应的软件,并对锦屏二级水电站辅助洞关键断面和龙滩水电站左岸高边坡流变模型和参数分别进行了反馈分析,获得了合适的流变模型及参数,并对其施工期与运行期的稳定性进行了分析,为工程施工、支护及长期运行维护提供了科学合理的建议。     

基于随机多项式展开的流固耦合非饱和土坡概率反分析

降雨入渗条件下非饱和土坡流固耦合作用复杂,具有高度非线性的特点,一般采用数值方法模拟。数值模型计算量大已成为监测数据概率反分析的重要制约因素。提出一种基于随机多项式展开(PCE)的概率反分析方法。该方法采用随机多项式展开构建土性参数与数值模型响应的显式函数,作为概率反分析中原数值模型的代替模型,与基于贝叶斯理论和马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)模拟的概率反分析方法相结合,从而有效提高非饱和土坡流固耦合参数概率反分析的效率。通过降雨入渗非饱和土坡算例研究,结果表明,与基于数值模型的常规随机反分析相比,两种方法在后验分布统计值、95%置信区间等结果非常接近,基于PCE的概率反分析计算效率显著提高,结果可靠。     

高速撞击下双层壳体结构的数值分析

采用动力有限元显式积分方法对双层壳体高速撞击靶体的弹塑性动力学问题进行了数值模拟,研究了52m／s初速度撞击铝合金靶体时外壳、中壳以及内体的动态演变过程,依据能量耗散机理,提出了多组结构设计方案,并通过撞击过程的数值模拟分析和对比,确定了合理的双层壳结构模型。