基于ABAQUS的三维粘弹性边界单元及地震动输入方法研究

基于大型通用有限元软件ABAQUS,利用FORTRAN语言编写了适用于粘弹性人工边界的外源波动输入子程序SDAB.FOR.该子程序包含粘弹性边界和加载两部分,粘弹性边界通过子程序UEL结合隐式积分算法定义粘弹性边界单元对整个系统的雅克比矩阵贡献来实现;人工边界上的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场,地震波作用于人工边界的自由场荷载可由设计地震动位移时程和速度时程统一表达,利用描述法向荷载和切向荷载的加载子程序DSLOAD、UTRACLOAD实现,从而可方便实现地震动的有效输入,避免了单独求解自由场.将考虑粘弹性边界条件的外源波动输入和内源地震动输入方法分别应用于某高拱坝的动力响应分析,并与常规无质量地基模型计算结果进行了对比,结果表明,考虑地基辐射阻尼的两种地震动输入方法均会显著降低结构的动力响应,其中采用外源波动输入方法的降幅更大.     

基于无限元和波场分离法的地震响应数值分析

用无限元模拟远场地基,有限元模拟近场区域,并在有限元和无限元接触处施加等效荷载以输入地震作用,从而求解半无限地基的地震响应.通过算例对边界和地震输入方式进行验证,研究剪切波作用下,重力和土与结构相互作用对场地地震响应的影响.结果表明:基于无限元和波场分离法的地震输入,能够有效仿真波动在半无限地基中的传播过程;重力对水平地震运动无影响;土与结构相互作用效应使短周期段加速度反应谱值降低,而长周期段加速度反应谱值增加;土与结构相互作用对岩石地基水平位移无影响,但使结构底部地基的最大主应力和最小主应力幅值增大.     

混凝土重力坝地震响应数值分析方法

给出了混凝土重力坝动力响应分析的时域有限元法.其中,地震波的输入方法以及无限地基辐射阻尼的模拟方法都是在柱面波动方程的基础上建立起来的.这种方法先通过对无限地基的人工截断获得有限计算域,然后沿人工边界布置一系列弹簧和阻尼器来模拟无限地基,在有入射波的边界上用与入射波速成正比的等效力来实现地震动的输入.数值算例表明,该方法简单有效,易于实现,并能够保证一定的精度.     

非线性拱坝-地基动力相互作用的 FE-BE-IBE 模型

同时考虑了高拱坝地震反应中的两个重要因素,即拱坝—地基动力相互作用和横缝非线性影响,并采用子结构技术加以实现,在拱坝地震反应分析中较以前有重大改进。由边界元—无限边界元耦合模型得到的地基频域动力刚度通过拟合法转换成时域离散参数,得以与拱坝有限元相耦合并在时域中求解。地震输入采用一种简化模型,在考虑无限地基辐射阻尼的同时避免了地震通过基岩后的人为放大。计算表明地基辐射阻尼对拱坝地震反应有显著影响。     

无界域—维热平流热传导问题的解析人工边界条件

以核废料处置库近场环境的对流传热过程为研究对象,采用解析法,推导了无界域内一维热平流热传导过程的准确人工边界条件.针对饱和多孔介质的一维水流传热问题,考虑半无界域内的温度边界情况和无界域内的热流集度情况,分别采用准确人工边界条件和下游特定位置处的温度人工边界条件,利用有限差分法计算任意时刻的温度分布.通过与半无界域内一维水流传热问题的解析解对比,验证了准确人工边界条件的可用性和准确性.结果表明,采用温度人工边界条件计算时,如果传热时间足够长,则温度计算点离人工边界位置越近,计算误差就越大;相比之下,采用准确人工边界条件计算时,计算误差很小,并与人工边界的具体位置无关.     

波浪对弹性结构三维绕流分析的半解析方法

采用二维解析和一维离散的方法处理无限流体介质，建立一种分析结构与外流体动力相互作用问题的半解析无限元法，使波浪对弹性结构绕流的三维问题化为一维数值问题来解，从而在很大程度上节省了单元、内存与计算工作量，同时径向无限域边界可得以正确模拟，比现有的有限边界人工处理更显优越。     

黏弹性流体饱和孔隙介质动力反应分析的显式有限元方法

黏弹性流体饱和多孔介质模型比单相介质或者弹性饱和孔隙介质更接近实际的土层介质,应用该模型研究土层介质的动力响应更为合理。用数值方法研究了半空间黏弹性流体饱和孔隙介质的动力时域响应。根据Biot黏弹性流体饱和两相多孔介质波动方程,采用解耦技术,建立了以固相位移和流相位移为未知量的黏弹性流体饱和孔隙介质动力分析的一种显式有限元法。该方法克服了隐式方法需要求解联立方程组的缺点,具有节省计算机内存空间和计算时间的优点。与解析解比较表明,该算法具有较高的计算精度;最后以一维黏弹性流体饱和孔隙介质为例,分析了黏性系数对动力响应的影响。     

循环荷载下半透水双层地基一维固结解析研究

考虑荷载的循环特性,研究了循环荷载作用下双层饱和地基在半透水边界条件下的一维固结问题.根据瞬时加载条件下的解,通过积分的方法,得到了循环荷载下的一维固结解析解.根据解析解编制了相应的计算程序,计算分析表明:上下半透水边界的透水性减弱,超静孔压的消散显著减慢;超静孔压随循环荷载也呈周期性变化.     

确定土层自由场地震动的二维简化模型

为了研究均匀土层自由场地震动的二维简化模型,首先利用弹性波动理论,得到土介质的二维波动方程,采用分离变量法来求解该方程,根据土层上下界面的边界条件确定土层竖向振动的特征频率和振型;根据波沿水平方向向无穷远处传播的衰减特性确定波沿水平方向衰减系数,得到土层自由场自由振动的相对位移的解析解。然后,采用振型叠加法求解强迫振动情况下的波动方程,得出二维情况下均匀土层在地震作用下沿水平方向相对位移的解析解。通过上述计算,得到了土层自由场地震动的二维简化模型。通过具体算例,分别对研究的二维简化模型与一维剪切梁模型进行了比较。比较结果表明,地下土层水平维度对于均匀土层自由场地震动反应的影响很小。     

半空间各向同性弹性饱和多孔介质非轴对称动力响应分析

应用弹性饱和多孔介质非轴对称Biot方程的解,研究了半空间饱和多孔介质非轴对称动力响应问题。讨论了半空间饱和多孔介质在边界竖直方向和水平方向,存在非轴对称简谐荷载作用下的边界位移分布,给出边界竖向位移的数值计算结果,并对饱和多孔介质非轴对称动力响应特性进行了分析。     

求解弹性饱和多孔介质半空间非轴对称动力问题的传递矩阵法

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求解了弹性饱和多孔介质非轴对称Biot波动方程 ,得到半空间问题的一般解 .引入了位移分量和应力分量组合量 ,建立了这些组合量Hankel变换之间的关系 .用传递矩阵方法处理了弹性饱和多孔介质半空间非轴对称动力问题 ,把边界上的应力和位移与介质内的应力和位移用传递矩阵联系起来 ,这种处理方法特别适用于数值分析 .     

非饱和土中部分埋入桩的竖向振动

基于三相多孔介质波动方程,考虑孔隙中水和空气两种不相混溶流体间的耦合效应,通过算子分解和分离变量法,在求得轴对称条件下非饱和自由场波动域解答的基础上,结合上下区域的连续性条件以及桩端Winkler弹性支承假定,通过求解桩的振动微分方程,对部分埋入弹性支承桩在竖向稳态谐振作用下的频域响应进行了理论推导,获得了桩顶阻抗函数的封闭解.通过对比饱和条件下完全埋入桩的桩顶复阻抗曲线,发现该退化解与已有的边界元法和虚拟桩法的结果基本吻合,验证了解答的正确性.参数分析结果表明:桩顶复刚度随自由段桩长的增加而大幅降低,孔隙水的参与作用仅在接近完全饱和时才得以发挥,而饱和度和土底反力系数的影响较为有限.     

国内期刊亮点

正利用半解析法得出单层非饱和多孔介质一维瞬间相应解浙江大学凌道盛凌道盛等基于Zienkiewicz提出非饱和多孔介质波动理论,考虑两相流体和固体颗粒的压缩性及惯性、黏滞和机械耦合作用,采用半解析的方法获得了一类典型边界条件下单层非饱和多孔介质一维瞬态响应解。研究推导出无量纲化后以位移表示的控制     

饱和土径向运动简化的桩纵向振动特性研究

在三维轴对称饱和土层中弹性支承桩纵向振动研究的基础上,通过简化饱和介质中固相与液相径向运动,建立了饱和土中桩纵向振动的简化模型,通过分离变量法求得了简化模型的桩纵向振动的频域解析解,利用付立叶逆变换和卷积定律获得了时域半解析解.简化解与三维轴对称饱和两相解的桩顶动力响应的对比结果表明,在低频范围内简化解的动刚度因子及等效阻尼与三维轴对称解有较大差别,而较高频率范围内两种解的导纳和速度时域响应基本吻合,因此简化理论对基桩频域或时域检测是足够精确的.计算结果表明,桩的长径比、桩土模量比以及桩底支承系数对桩顶频域和时域响应影响显著,而渗透系数对桩顶动力响应的影响较小.     

边界无限元——半解析有限元耦合法分析核安全壳与基础相互作用问题

本文以核安全抗震分析为背景,研究 P 波,SV 波的动力作用,采用了边界无限元与半解析有限元结合的方法,利用子结构法导出壳体与介质相互作用耦合方程,在频域内求得最大响应,运用FFT 逆变换,在时域获得响应,对边界单元中的处理技术进行了探讨,结果表明,精度高,计算量小。     

基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析

采用不可压缩饱和多孔介质的广义Biot理论模型,导出流体饱和两相多孔介质振动问题的有限元方程,并对港珠澳工程沉管隧道段自由场进行数值模拟计算.计算结果表明,相对于传统的单相介质自由场而言,饱和两相多孔介质自由场地表加速度峰值有所降低;实际场地的地形地貌对孔隙水压力有显著影响;多孔材料的渗透系数增大,可能会导致其孔隙水压力降低;同时输入地震作用的大小也会影响场地地震液化的评估.由此可见,基于不可压缩饱和多孔介质的数值模拟方法在场地地震液化分析中可行,其结论可以应用在其他工程场地分析中.     

交通荷载诱发邻近建筑垂向随机振动数值分析

以无限长Kelvin地基上的Kirchhoff板模拟路面支撑体系,将1/2车辆模型与受振建筑耦合进统一的有限元数值模型.视无限长路面为周期性链式子结构,通过证明有阻尼链式子结构的辛正交特性,建立一个典型路面子结构模型.应用垂向耦合随机振动的二维移动单元格式,在频域内基于虚拟激励法进行数值求解,分析了振源-支撑体系-受振结构统一模型下的垂向动力学响应.数值算例表明:车辆诱发的随机振动给邻近建筑带来显著的加速度响应,避免了人工边界的截断误差,数值方法对复杂随机振动系统有较高的计算效率和精度.     

上覆非饱和层地基-隧道动力响应半解析算法

分别采用非饱和土波动方程与壳的振动方程描述地基土的波动及隧道衬砌的振动特性。基于Helmholtz矢量分解定理与分离变量法,获得包含柱面波与平面波的总场表达式。利用波函数转换性质进行不同界面处平面波与柱面波的转化,结合地表边界、土层交界面以及隧?土交界面等边界假设进行耦合求解,提出了上覆非饱和层的饱和地基?隧道系统动力响应半解析算法。通过既有模型对比,验证了该算法的正确性。最后,基于该方法进行了算例分析,结果表明：上覆非饱和层对隧道底部土体位移响应影响较小,对地表位移响应影响较大;而临界速度受上覆土层饱和度的影响较小,其主要受隧道穿越土层性质的影响。     

基于波动法的城市地下管线动态损伤识别

目的解决城市地下管线在运行过程中受到环境腐蚀而发生各种损伤的无损检测定位问题.方法基于弹性应力波在介质中传播理论对城市地下管线进行损伤定位.结合波动理论推导一维杆件在稳态正弦激励和瞬态半正弦激励下的振动解析解,并对弹性应力波在城市地下管线中传播机理进行数值模拟.通过杀死模型周向单元来模拟管线中的损伤,对应力波在带有单裂纹和双裂纹的管线进行数值模拟.结果瞬态半个正弦激励下一维杆件的振动解析解和数值解吻合得较好.由单、双裂纹损伤管线模型输入端入射应力波与反射应力波之间时差计算出的裂缝损伤所在位置与实际预设位置重合.结论波动法可以有效地识别城市地下管线中损伤的位置,为城市管网安全运行提供技术支撑.     

用边界单元法分析结构与半无限平面地基的相互作用

本文提出用半无限域基本解与无限域基本解相结合的边界单元法解结构与半无限平面地基的静力相互作用问题。采用本文方法,只需要在结构的表面、有边荷载的地基表面和地基与结构的交界面上剖分单元,就可以考虑整个半无限地基的影响。与一般的有限单元法、边界单元法相比,如用本文方法,计算前后的数据工作量大为降低,所需计算机内存和机时也可减少,而且精度显著提高。本文讨论了交界面上的各种接触情况。结构和地基的常体力都化为面力处理。