基于SPH-FE方法的波浪中结构物动力特性模拟研究

海工结构物在波浪荷载作用下产生动力响应,本文基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FE)耦合方法对结构物受孤立波冲击过程中表面压力分布和动力响应特性进行研究.通过溃坝模型模拟了水柱倒塌冲击结构物的过程,分析SPH模型中粒子间距对数值结果的影响,并通过与文献结果对比验证了本文数值方法的可行性.在此基础上研究水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度对波浪到达时间、结构动力响应和波浪冲击荷载特性的影响.研究结果表明:在本文计算条件下,波浪到达结构物的时间与溃坝初始水柱高度关系不明显,但随水柱与结构物间距的增大而线性增加;结构物顶端位移响应幅值随水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度的变化较明显;结构物所受波浪冲击荷载与水动力作用呈正相关关系;当水动力作用相同,结构刚度增大时,结构物底端所受波浪力会增大.     

波浪作用下结构的动力响应研究

波浪力是作用在港口工程结构物上的主要荷载之一,由于波浪的特性,结构物在波浪作用下会产生振动、疲劳等危害。利用有限元软件ANSYS模拟墩台结构,计算分析了该结构在波浪荷载作用下的内力、位移和振动等动力响应问题。计算由四个部分组成:重力作用下的结构静力响应、结构模态分析、结构谐响应分析和波浪作用下结构瞬态动力分析。     

波浪作用下非均质各向异性海床响应的数值模拟

波浪作用下真实海床动力响应的研究具有重要的工程意义，为此，基于Biot固结理论建立了波浪作用下海床动力响应的二维有限元数值模型，并通过试验和解析解验证了模型的合理性．针对非均质各向异性海床，通过具体的数值计算分析了土的渗透系数与剪切模量连续变化时对海床孔隙水压力与有效应力的影响．结果表明，在土体其他条件保持不变时，波浪引起的海床响应对透水性各向异性不是很敏感；而海床的非均匀性对砂质底床的孔隙水压力和有效应力的影响显著．     

二层流体中透空大直径桩柱的波浪特性分析

 采用典型的海工结构物——大直径垂直圆柱研究层化海洋中波浪对透空结构物的绕射作用。通过分析二层海洋条件下边值的匹配问题,利用特征函数法提出内、外流场流体绕射势解析解,并在二层海况下计算透空圆柱所受水平波浪力及柱内、外的自由波面波浪爬高。计算结果分别与均匀海中透空桩柱和二层海中非透空桩柱的相应结果加以比较,分析得出在层化海洋中结构物的透空性对减弱波浪力和波浪爬高有很大影响。     

波浪对弹性支撑结构物冲击作用试验研究

位于浪溅区的弹性结构物的上部结构可能会受到幅值很大、历时较短的波浪冲击荷载.高强度的瞬时冲击荷载作用以及由它引起的结构振动响应往往是导致结构损坏的主要原因.通过物理模型试验,研究了波浪对弹性支撑平板结构的冲击作用.试验中设计了3种不同支撑刚度的结构物模型,对结构物底面所受的波浪冲击压力和结构物振动加速度响应进行了同步观测.分析了支撑刚度对冲击压力和结构振动的影响,以及结构物所受的波浪冲击压力与对应时段振动加速度之间的关系.试验结果表明,结构物支撑刚度越大,其所受的冲击压力也越大,对应时段的振动加速度幅值也越大.     

桁架式近海结构物整体波浪载荷分析

本文以各种直径、杆件方向和长度各异的圆柱型壳体水下杆件为主要构成形式的桁架式近海结构物为对象,首先逐一计算组成桁架式结构的每一杆件的波浪力,然后对这些单一杆件的波浪力进行叠加来得到结构物的整体波浪载荷,在此基础上分析在不同的波高、周期以及浪向等波浪环境下结构物的动力响应,分析不同的结构形式对波浪载荷响应的影响。本文的计算结果可为结构物在波浪环境下整体极限波浪载荷以及在这些极限载荷作用下结构物的水动力特性评估提供依据,同时利用本文所提出的方法,也可以计算桁架式近海结构物在设计波作用下的整体弯矩、剪切力以及设计者所需要了解的波浪载荷沿结构物特定形式的分布。     

二层海洋中波浪对透空双圆柱的绕射作用分析

结构表面布孔可以减弱波浪载荷,而海水的层化将导致表面波和内波的二重绕射作用机制。对此,本文分析并计算了在二层海洋条件下大直径透空双圆柱的水波绕射作用,并分别与均匀海中透空和非透空双柱的相应结果加以比较。计算结果表明,在层化海洋中结构物的透孔性对减弱波浪力有一定影响,密度比变化对内波波浪力影响显著。     

聚焦波与超大型浮体作用的非线性数值模拟

利用高阶边界元方法建立模拟聚焦波浪与弹性浮板作用的完全非线性二维时域数值水槽模型,其中指定2阶Stokes速度解析解产生聚焦波;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体和结构表面变化,再利用梁自由振动的自然模态函数近似流固交界面的瞬时位移;使用4阶Runge-Kutta法更新水面及浮板位移和速度势.对比发现,该数学模型可以准确地模拟浮板在波浪作用下的水弹性响应和所期望的聚焦波浪.并进一步研究了浮板摆放条件、浮板厚度、聚焦波频率带宽和入射波幅对浮板水弹性响应的影响.     

非定常风作用下极端波浪统计特性初探

为探究风对极端波浪产生的影响,基于波浪的Benjamin-Feir不稳定性,在二维海洋工程水池中开展实验,对非定常风作用下具有随机相位的波场进行了长时间的模拟.本文通过对波浪有效波高、峰度及偏度的统计,分析了风对波浪演化过程中统计特征的影响,并进一步研究了波浪能量谱对风的响应.实验结果表明,具有较大Benjamin-Feir指数的波浪,在非定常风作用下常伴有破碎现象,导致波浪有效波高显著下降,峰度则呈现增大趋势.通过对波浪能量谱的分析得到,波浪破碎导致能量谱峰值的下降,波浪从风中所获得的能量主要集中在波浪的高频部分.本研究旨在通过对极端波浪的统计学研究,为海上浮式结构物的设计、建造及极端波浪的预报提供依据,降低极端波浪所造成的危害.     

地基中结构物动力响应的一维解析方法

提出了一种用于浅埋式地下结构物抗震设计的简化方法。采用任意侧向位移下地震土压力理论 ,推得在土 -结构相对位移较小的情况下 ,结构物所受的土作用力与它们的相对位移近似成线性关系 ,并提出了确定解析解中需要的地基结构动力相互作用系数的方法。在将土体和结构物均简化为只发生水平位移的粘弹性剪切梁及地震输入为竖直向上传播的剪切波等假设条件下提出了一种分析水平地基中结构物在地震荷载作用下的响应的一维解析方法 ,并用该方法对地震时结构物的位移和土压力及其变化过程进行了计算分析     

异形,变厚度纤维增强层合板弯曲问题分析的有限条法

采用亚参条法分别将有限薄条法及有发厚条法由规则外形结构推广到不规则外形结构；还提出了一种模型，用于描述弹性常数矩阵随坐标的变化，并由此得到了变厚度纤维增强层合板的一种有限条解法，将若干算例的结果与有限元法做了对比，结果表明，本文方法能够满足工程应用的精度要求。     

结构极限分析的Galerkin边界元方法

求解结构极限载荷的主要困难在于如何处理好计算精度和计算效率的统一。利用 Galerkin边界元方法的应力精度高的优势 ,基于极限分析的下限定理建立了结构极限分析的计算格式。同时利用 Galerkin边界元弹塑性增量计算中同一增量步上不同迭代步的应力差作为基矢量构造了自平衡应力场 ,将结构极限分析归结为非线性规划问题 ,并通过复合形法直接进行求解 ,得到了二维结构在比例载荷作用下的下限乘子。数值计算结果表明 ,该文所用方法的计算精度和计算效率都是令人满意的     

深潜器耐压壳极限强度的模量算法

通过引入承压球壳变形的对称性假设,将承受均匀外压球壳的理论表达简化为筒形板及弹性基础梁的数学模型.引入参数,将切线模量理论等多种模量理论统一表达,在材料应力应变曲线的基础上,得到模量因子曲线和相应的解析表达式.以切线模量理论和双模量理论为例,将2种模量理论应用于钛合金球壳的承载力计算,并将计算值与实验结果进行比较,得出模量理论在耐压壳极限强度计算问题上的有效性和适用范围,为深潜器的初步设计提供参考.     

柔性结构非线性分析的杆单元有限元法

本文根据非线性弹性理论，采用拉格朗日坐标描述法，在三维整体坐标系下，直接根据应变的定义建立了精确应变的非线性几何关系．从而可以考虑任意次高阶位移的影响，得到了轴向应力应变的直接关系，根据虚功原理推导了杆单元非线性有限元增量方程及切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算．结果表明本法精度很高，适合于柔性结构分析、设计时采用．     

无底圆筒结构内填土压力分布和抗倾有效比计算

由于无底圆筒结构与有底结构相比,在结构沉降、基底应力等方面存在差异,导致二者的内填土压力分布明显不同,因此,传统的贮仓压力理论不能正确确定无底圆筒结构的筒内填土压力．采用模型试验,量测作用在无底圆筒结构上的土压力,分析无底圆筒结构与内填土和地基的相互作用,探讨圆筒结构在倾覆过程中内填土与筒壁间摩阻力调整机理．通过试验研究和理论分析得到,在对称荷栽作用下筒内土压力分布分为三个区域,在非对称荷栽作用下,由于筒内产生附加力矩而使土压力分布变为两个区域,且抗倾有效比约为对称荷栽状况下的1．10倍,在此基础上,提出了对称荷栽和非对称荷栽(作用有侧向荷载)情况下,筒内填土压力和抗倾有效比的计算方法,前者适用于圆筒施工期的计算,后者适用于使用期的计算．     

重力坝复杂坝段有限元应力分析方法的探讨

有限元应力分析方法在坝工设计中已得到广泛应用.但对于某些复杂的情况,有限元法的实用、规程化还有不少问题有待进一步解决.本文结合若干工程计算实例,介绍应用有限元法计算重力坝复杂坝段(诸如底孔坝段,厂房坝段)的一些体会,讨论了含横缝灌浆压力、地震力等复杂荷载作用下复杂结构的三维有限元应力分析方法的某些实用问题,并对其中的前处理、后处理,特别是对改进三维有限元成果整理及程序使用等问题提出了一些看法.     

Structural design inspired by beetle elytra and its mechanical properties

On the basis of the microstructure of the cross-section of a beetle’s elytra,three bio-inspired lightweight structures were designed and built from acrylonitrile butadiene styrene plastic with a three-dimensional printer.The mechanical properties of three lightweight structures were analyzed and compared employing the finite element method,and quasi-static compression experiments and a three-point bending test on the structure samples were carried out using an electronic universal testing machine to verify the effectiveness of the finite element method.The results show that all three bio-structures were lightweight and had excellent mechanical properties.In particular,the bio-structure with spherical holes and hollow columns perpendicular to the top and bottom surfaces best imitated the microstructure of the cross-section of the Cybister elytra and had the greatest specific strength/stiffness in compression and bending.Finally,a preliminary optimization design was obtained for this bio-structure to further improve its specific strength and specific stiffness to 31.82 kN m/kg and 108.73 kN m 2 /kg respectively.     

固结试验及其相关问题的讨论

固结系数是岩土工程中较常采用的计算参数之一,大量的实际工程计算与监测结果表明,试验得到的固结系数偏小．为了探讨固结试验过程的内在特征,将常规固结试验仪器进行了改进,使其能够进行土样底部的孔压测定．经过100kPa,200kPa,400kPa3个不同固结压力下的固结试验,分析了试样底部的孔压上升规律与太沙基固结理论差异的原因;通过减小土样与仪器侧壁摩擦的对比试验,使上述差异得到一定的改善;又通过全自动应力路径三轴试验,分析了其他因素对固结试验的影响．     

深基坑支护结构的二维有限元分析

针对目前深基坑研究深度及广度仍停留在初步阶段,采用二维弹塑性有限元法,模拟基坑开挖中常用的挡墙式支护结构与土体的共同作用,针对各种不同参数的挡墙,计算挡墙、基坑周围地面及坑地的变形,分析变形与各参数的关系.得出土体与支护结构之间的相互作用及土体随开挖深度增加的变化.     

莫尔-库伦理论的修正及应用

针对莫尔 -库伦理论不考虑中间主应力对材料破坏影响的缺陷 ,提出了引进中间静水应力对抗剪强度和屈服面上摩阻力的双重作用 ,从物理意义上引进了中间主应力对剪切滑移的影响 ,把原来二参数的莫尔理论发展为三参数形式 ,弥补了莫尔 -库伦理论不足之处 .最后给出了应用实例