基于IBIEM的SH波斜入射沉积河谷场地地震动特性分析

应用任意地形河谷沉积层散射波源的格林函数公式,基于间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method, IBIEM),分析了SH波斜入射下梯形沉积河谷场地地震动特性和分布规律,研究了地震波斜入射角度、斜坡坡度、介质阻抗比对地震动特性及非一致分布规律的影响机制,深入分析了河谷散射效应对地基截断边界地震动场的影响规律。结果表明：斜入射使得河谷表面峰值位移的放大效应和非一致效应显著增强,最大峰值位移达入射地震动峰值的5倍以上;当河谷底宽较大时,沉积河谷的边缘效应明显;当底宽较小时,沉积河谷的聚焦效应明显,表面最大值出现在河谷中心处;斜坡坡度对楔形体内、外表面附近地表处的地震反应影响强烈,该现象可以由地表折射波干涉区域与斜坡坡度、入射角、波速的确定函数关系得到解释;随着阻抗比的增大,位移幅值放大越来越显著;当斜入射时,刚度越小的软弱沉积层对地震波传播起到的屏障作用越大;无论是空心河谷还是沉积河谷,散射效应对边界处地震动场影响都较为明显,相对于平坦基岩自由场,底边界、右边界误差最大可达30.8%,54.8%,应考虑将散射效应的总场作为输入。     

非一致地震激励的改进位移输入法:误差分析与应用EI北大核心CSCD

非一致激励其破坏性效应复杂,大跨结构地震反应计算时应合理考虑其影响。该研究针对位移输入法(displacement input method,DIM)计算大跨结构非一致地震响应时存在的误差和来源展开研究。采用Rayleigh阻尼假定,分析了某长跨桥梁结构的地震反应及误差,指出了DIM对不同地震动效应的适用性和误差产生的原因。而后讨论了差动激励的常用算法和模拟理论的差异,最后提出了改进的位移输入法(improved displacement input method,IDIM),并进行了验证。结果表明:DIM用于求解大跨结构的非一致地震响应时存在不可忽略的误差,其大小与输入的地震动特性和刚度比例阻尼系数β相关,且随着β的增大而增大。DIM误差来源于忽略了C_(ts)△X_(s)阻尼项(与地震动增量速度和β相关);通过2种IDIM与已有方法对比可知,DIM对于脉冲地震动作用和β较大的情形(较长自振周期)不再适用;所提出的IDIM对于多点激励结构反应计算精度好、算法易用且可靠。最后建议了通用的非一致地震激励结构反应分析流程,考虑了近断层效应、残余位移等并最小化了大刚度、大质量法的舍入误差,研究成果可推广用于大型结构非一致激励的动力响应计算。     

一种基于流固耦合问题的低频散射声场预报方法EI北大核心CSCD

提出了一种流固耦合作用下的低频散射声场预报方法。从边界积分方程出发,推导弹性散射中流固耦合方程,通过引入附加质量、附加阻尼、附加压力概念实现解耦。将弹性散射表述为纯刚性散射项与二次辐射项的叠加,建立了刚性散射与弹性散射的联系。与辐射问题不同,散射中流体对结构的作用不仅表现为附加质量和附加阻尼,还存在一个与结构响应无关的压力项,且该压力项是二次辐射项的激励源。采用Fortran编写了边界元算法程序,用DMAP语言实现与Nastran的对接,形成了完整的散射声场预报方法,通过与理论结果对比,验证了预报方法的正确性。圆柱壳散射的计算结果表明:低频散射时弹性不可忽略;圆柱壳厚度对弹性散射强度和指向性有明显影响;肋骨对柱壳散射的影响与振动形式有关,环肋骨对以弯曲模态为主的弹性散射影响很小。     

高阶能量一致积分方法及其在结构动力分析中的应用EI北大核心CSCD

能量一致积分方法是一种二阶精度、无条件稳定的逐步积分方法。为提高计算精度,将辛Runge-Kutta方法进行改进,构造出高阶能量一致积分方法一般形式。这种方法既保持了四阶精度,又具有能量一致属性。通过非线性弹性算例验证了方法的精度和数值稳定属性。将方法应用到桁架单元,推导了具体计算格式,并完成对应的非线性计算程序。程序集成了二阶与四阶能量一致积分方法、平均加速度方法(average acceleration method,AAM)以及由AAM构造的四阶方法。通过弹性摆与平面桁架结构非线性动力分析,对比4种逐步积分方法。分析结果表明,四阶能量一致积分方法在精度、稳定性与计算效率上优于其他3种方法。     

基于TI介质模型的沉积谷地对平面SH波的放大效应EI北大核心CSCD

在TI场地平面外动力刚度矩阵的基础上,推导出斜线均布荷载动力格林函数,进而以该格林函数为基本解建立间接边界元方法求解了沉积谷地对平面SH波的散射问题。文中验证了方法的正确性,并分别将沉积内部和外部介质考虑为TI介质,在频域和时域内进行了计算分析。研究表明:沉积TI参数的改变主要导致了沉积自身动力特性的改变,进而使得沉积表面位移幅值放大谱的峰值频率和谱值均发生明显改变;半空间TI参数的改变则导致了各方向上半空间与沉积阻抗比的改变,因而对放大谱的峰值频率影响较小,其影响主要体现在峰值大小上;另外,通过求解Ricker波输入下沉积附近观测点的位移幅值时程发现,沉积和半空间的TI参数亦对弹性波在含沉积半空间中的传播有着显著影响。     

考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构振动台试验研究EI北大核心CSCD

长度超过百米的地下结构受到地震动空间变异性的影响较大,为深入了解粉质黏土地基条件下地铁车站在非一致地震动激励下的动力反应规律,设计并完成了粉质黏土地基条件下非一致地震动激励下地铁车站模型的振动台试验。为模拟粉质黏土地基设计制作了刚性土箱,对模型材料配合比以及钢筋配筋设计等进行了分析研究,根据动力相似理论,开展了纵向非一致地震动激励下地铁车站结构模型的振动台试验,通过对实测加速度、土压力以及构件应力等试验结果的分析,得出地铁车站结构在地震波先后到达不同横截面的动力反应差异、同一横截面各构件的动力反应差异以及地铁车站结构与土体的动力反应差异,得到纵向非一致地震动激励下地铁车站结构的动力反应规律。     

非局部弹性周期纳米板振动特性研究EI北大核心CSCD

结合Eringen非局部本构关系与Mindlin理论,对非局部弹性周期纳米板振动特性分析进行研究。根据不同材料纳米板连接处的协调关系,结合波动法建立非局部周期纳米板分析模型。为了验证所建立模型的正确性,采用文献结果以及有限元法进行对比,验证所建立分析模型的正确性和有效性。以此为基础,开展相应的参数化研究,探寻周期纳米板结构几何参数、周期数以及支撑条件的影响情况。结果表明,所建立的分析模型以及求解方法准确有效,不同参数对非局部周期纳米板的振动特性均存在一定的影响效果。     

EFP构型对其气动特性和侵彻性能影响分析EI北大核心CSCD

为综合分析爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)的构型对其气动特性和侵彻性能的影响,实现兼具良好气动特性和侵彻性能的EFP设计。开展了EFP的成型和飞行试验,在试验验证数值有效性的基础上,基于任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法分析了后翻型EFP的三种典型构型(实心杆状、小空腔状、大空腔状)的成型过程及气动特性,并进一步开展了三种构型EFP侵彻半无限厚45#钢的数值模拟。结果表明:EFP小空腔结构提高了其飞行稳定性;空腔的增大降低了EFP的存速能力,实心、小空腔、大空腔三种构型的EFP炸高在1000倍弹径(30 m)时平均速度降分别为158 m/s,172 m/s,210 m/s;随着EFP空腔的增大,靶板开坑形貌由漏斗状逐渐转为等直径状。从工程实践角度设计EFP构型时:对于近距离目标应选取实心型;对于远距离目标应选取小空腔型。     

基于能量一致积分的拉索-阻尼器实时混合试验方法EI北大核心CSCD

实时混合试验是一种研究速度相关型试件动力性能的抗震试验方法,可以应用于拉索-阻尼器系统的力学行为研究。由于拉索具有较强的几何非线性,传统的线性无条件稳定积分算法无法保证拉索-阻尼器系统动力计算的稳定性。能量一致积分方法可以实现对非线性系统的无条件稳定,但应用于实时混合试验时,会遇到迭代导致作动器加载速度波动较大的问题。为了将能量一致积分方法应用于实时混合试验中,提出采用固定迭代次数并对迭代位移进行插值来实现平滑加载,然后对测得的试验子结构恢复力进行修正来实现系统能量一致。最后,对一个拉索-阻尼器系统进行了一阶模态振动下的实时混合试验数值仿真,验证了该方法的可行性。     

非局部功能梯度梁结构振动与波传播特性研究EI北大核心CSCD

基于非局部弹性理论,给出非局部功能梯度铁摩辛科梁结构的控制微分方程。结合该研究提出的一种半解析数值法,对多种边界条件下非局部功能梯度梁结构自由振动特性进行分析;通过与现有文献简支梁的数据对比,验证该研究计算的正确性;同时分析非局部参数和功能梯度指数对梁结构的固有频率以及波传播特性的影响。结果表明,各个参数对梁结构固有频率以及波传播特性有不同程度的影响规律。     

基于高斯展开法的周期声学黑洞宽频能量回收特性研究EI北大核心CSCD

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是遵循幂变规律对梁或薄板结构的厚度进行剪裁,使弯曲波在结构尖端波速降至为零而无法发生反射的现象,从而能够在结构末端实现能量的聚集与高效回收。针对单一声学黑洞结构在实现峰值回收时对外界激励频率敏感的问题,提出基于周期声学黑洞的宽频压电能量回收系统。首先,基于高斯展开法,建立了耦合压电层的声学黑洞压电俘能半解析模型,并在频域范围内结合能带理论分析了周期数、幂指数、中心截断厚度以及黑洞半径对能量回收特性的影响;最后,通过压电能量回收试验,验证了周期声学黑洞对于实现宽频能量回收的有效性。研究结果表明:声学黑洞的各结构参数会通过影响峰值个数、峰值区间长度以及能带结构等因素,对系统的输出功率以及采集效率产生影响。分析结果对实现周期声学黑洞梁的宽频能量回收优化设计具有重要的参考价值。     

基于空间特性的台风风灾害评估EI北大核心CSCD

针对仅考虑强度相关单因素的风灾害评估方法不能准确表征台风风灾害程度问题,该文依据三种不同沿海基础设施抗风等级对应的风灾害指标因子公式,通过开展基于面积积分风灾害评估方法研究台风空间特性对灾害评估的重要性。网格分辨率影响风灾害评估指标因子,分辨率越高,该指标因子越高;海表温度也是风灾害评估指标因子的影响因素,海表温度越高,该指标因子越高;且分辨率约为200 m甚至500 m时可准确表征台风风灾害。研究表明:基于面积积分风灾害评估方法相较传统单因素评估方法能够更准确表征台风风灾害程度;但外围小风速对风灾害评估影响较大,SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为65%,SST-26最高约为90%。因此,针对风速小但尺寸大和风速大但尺寸小台风风灾害评估问题,引用切入风速概念后,小风速对风灾害评估影响显著降低,SST-27、SST-28和SST-29风灾害程度最高约为13%,SST-26最高约为3%,解决了小风速区间占比过大但对结构损伤无作用问题。     

结构声学耦合随机性分析的等几何有限元-边界元法研究EI北大核心CSCD

采用有限元法(FEM)进行水下壳结构振动响应分析,边界元法(BEM)进行结构振动声学分析;组合有限元法与边界元法构成耦合FEM-BEM方法进行水下薄壳结构声振强耦合分析。为了克服传统拉格朗日函数近似几何模型与物理场插值计算时的不连续与低精度问题,采用Loop细分曲面等几何法构建几何模型,并采用相同的样条函数进行物理场高阶插值计算,实现水下声振强耦合系统的CAD/CAE的集成分析。随机性分析致力于研究系统输入的不确定造成的输出不确定。蒙特卡罗模拟(MCs)因简单直接被认为是解决复杂多维不确定性问题的通用工具,然而巨大的计算成本降低了其适用性。采用本征正交分解(POD)和径向基函数(RBF)可降低计算成本,提高计算效率,实现基于MCs的快速随机性分析。考虑结构材料属性参数以及结构形状参数的不确定性对计算结果的影响,采用MCs分析随机变量下的结构声学响应的统计特征。最后通过若干算例验证该算法的正确性与有效性。     

基于VMD-KLD的桥梁挠度监测数据温度效应分离方法EI北大核心CSCD

传统经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)方法在处理桥梁挠度信号时存在模态混叠、分解误差累积等问题,致使分解结果尚不理想。为此,提出了一种结合变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和K-L散度(Kullback-Leibler divergence, KLD)的桥梁挠度监测数据温度效应分离方法。利用VMD分解桥梁挠度信号,获得若干个本征模态函数(intrinsic mode function, IMF);借助核密度估计求得各IMF分量的概率密度函数分布,进而得到各分量KLD值,剔除虚假IMF分量,选定最佳分量;运用Pearson相关系数对最佳分量进行效果评价;通过数值仿真算例与实桥监测数据,验证了该方法的有效性。结果表明:该方法融合了VMD自适应、抗噪能力强和KLD快速选取最优信号的优势,克服了传统EMD模态混叠等缺陷,减少了虚假分量的干扰,将两者结合使得分解及筛选特征信号分量高效可靠,温度效应分离效果良好;仿真信号经VMD-KLD分析得到日、年温差效应及长期挠度相关系数分别为0.994 6、0.983 7和0.970 4,实测信号得到的日、年温差效应相关系数分别为0.908 1、0.936 4;同EMD-KLD相比,VMD-KLD分离出的各挠度成分相关系数更接近于1,仿真信号分析中日、年温差效应及长期挠度分别提升了4.43%、10.84%和8.81%,实测信号分析中日、年温差效应分别提升了12.35%、5.57%。该方法可为桥梁挠度监测数据温度效应在线分离提供一种新的思路。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究EI北大核心CSCD

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究。同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义。将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件,对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明:与常态混凝土类似,动态荷载(ε^(·)>30 s^(-1))下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反,即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强;动态尺寸效应与应变率呈现相关性,应变率越高,动态尺寸效应越显著,这与碾压混凝土SHPB(the split Hopkinson pressure bar)试验结果相验证;当应变率ε^(·)=1~30 s^(-1)时,尺寸效应并不显著,不同尺寸试件的抗压强度相差不大;准静态荷载ε^(·)=1×10^(-5) s^(-1)下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后,基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。     

地震动空间差异对沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统响应影响研究EI北大核心CSCD

地震动的空间差异性往往对结构-地基系统的响应具有显著影响。从地震动差异形成的物理机制出发,基于二维设计地震动确定入射P波、SV波时程,在波动输入模型基础上引入地震动组合效应构建了空间非一致地震动场,建立了空间差异地震动的波动输入模型。进一步研究了地震动场空间一致输入和非一致输入下沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应。结果表明,非一致地震动场输入模型获得的地表自由场控制点位移水平和竖直分量均与设计地震动吻合良好,能够在考虑地震动空间相关性基础上模拟地震波传播的时间滞后、幅值变化和时程形状差异等空间差异特征。与一致输入相比,非一致输入下覆盖层建基面水平向和竖直向加速度分布方差最大增大341%和50%。地震动的空间差异引起心墙竖向应力和剪应力峰值最多增加198%和51.9%。坝顶加速度和永久变形平均值均有所增加,最大结果分别增加25.53%和13.06%。传统的一致波动输入方法可能会低估结构地震动响应,分析沥青混凝土心墙土石坝-覆盖层地基系统的地震响应有必要考虑地震动的空间差异性。     

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。     

基于改进NSGA-Ⅱ算法的安全阀动态特性分析及优化EI北大核心CSCD

针对安全阀动态性能缺乏高精度预测模型和优化方法的问题,提出一种考虑阻尼因素及气体扩散因素的动态响应系统模型和基于改进NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ)算法的优化方法。通过安全阀动态响应系统模型建立仿真模型,对安全阀进行启闭过程动态特性仿真,与动态特性试验结果对比,验证动态响应系统模型的精确性;在NSGA-Ⅱ算法中引入一种权重向量设置方法和自适应变异算子,对安全阀结构参数进行多目标优化。优化后安全阀动态特性评价指标响应时间、振动幅值和稳定值与优化前相比分别缩短5.95%、减小68.29%和减小1.98%。结果表明,优化方法可提升安全阀动态性能。     

变体飞艇太阳能电池阵列工作特性的影响因素EI北大核心CSCD

太阳能电池阵列是近空间变体飞艇的主要能源系统,决定着飞艇的性能。根据变体飞艇的特性,针对变体太阳能飞艇,建立巡航状态下的太阳能电池阵列的几何模型和太阳辐射模型。利用模型,根据太阳辐射和飞艇飞行高度的变化,计算太阳辐射强度和太阳能电池阵列接收功率,绘制太阳能电池阵列接受的有效辐射强度云图。结果表明:正午功效是早晚的3～4倍;当太阳高度较低时,飞艇偏航角对阵列所接受的有效强度分布和功率有一定影响;季节对阵列有效强度分布和正午功率有较大影响;纬度位置影响飞艇功率变化和所产生的总能量;电池布置在艇体顶部获取更多能量。     

基于改进高斯展开法的ABH板弯曲振动特性分析EI北大核心CSCD

针对声学黑洞(acoustic black hole,ABH)板存在的非均匀波长分布和波数快速变化问题,建立了一种基于改进高斯展开法(improved Gaussian expansion method,IGEM)的半解析模型来分析ABH板的弯曲振动问题。在Rayleigh-Ritz法的框架下,选择高斯函数作为基函数,根据板的厚度变化来确定不同位置下高斯基函数的尺度因子,并根据尺度因子和板的形状来确定高斯基函数的分布情况;通过尺度因子的分级化处理,既可以更加准确地描述板在不同厚度处的位移,又实现了x方向和y方向在积分过程中的分离,进而改善计算准确度和效率;此外,根据板的形状确定高斯基函数的分布情况,可以避免质量矩阵和刚度矩阵的奇异化。最后,该研究以矩形ABH板、圆形ABH板和开孔形ABH板为例,验证了该方法在计算ABH板弯曲振动时的准确性和适用性。