空间结构-地基动力相互作用数值分析时域算法研究

对于大型结构地震响应分析,结构-无限地基耦合系统动力分析的数值实现,往往由于有限元网格过多,以及地基无限域时域计算模型中存在的复杂卷积运算,严重限制了求解规模.为解决此问题,提出了基于阻尼溶剂抽取法的三维结构-地基相互作用分析的分区时域逐步求解模型.并针对三维大规模工程问题的数值求解,在积分算法及矩阵存储格式等方面,结合阻尼溶剂抽取法的特点进行了详细的探讨,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化.以三维全空间球形空腔动力变形及大岗山拱坝的地震响应分析为例,针对上述数值实现算法进行了具体验证,并就不同的地基弹模及地震波输入方式对坝体响应的影响进行了探讨.计算结果表明,地基辐射阻尼以及河谷散射效应对结构的动力响应有很大影响,而该模型表现出了良好的精度和计算效率.     

波动数值模拟的常加速度显式算法

给出了一种将隐式时域逐步积分算法转换为显式时域逐步积分算法的方法,避免了求解耦联方程组,提高了计算效率.对于暂态波源作用下的弹性半空间,利用有限单元法划分网格、建立结构动力方程,并应用Fortran语言对中心差分算法和平均常加速度显式算法编程,求解脉冲荷载作用下的出平面运动.2种算法计算结果对比表明,常加速度显式算法可以较好地应用于工程波动数值模拟中.     

基于加速度输入的结构-地基相互作用分析分区递归时域算法

由于无限地基动刚度的频率相关性,用于结构-地基动力相互作用分析的各种方法基本上都是将地震动作用转化为作用在边界上的力,需要同时包括地震动位移、速度和加速度输入信息．为简化,基于阻尼抽取法,提出一种基于加速度输入的分区递归数值求解算法,该算法仅需要地震动加速度信息,与地震动加速度成比例的结构惯性力作为地震荷载输入,可方便地确定由于结构震动对地基变位的影响,同时避免了无限地基动刚度时域算法中的褶积分．数值算例表明该方法具有良好的精度与应用的简便性．     

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.     

二元复合驱数值模拟隐格式和应用

研究化学采油中聚合物-表面活性剂二元复合驱数值模拟问题。数学模型包含压力方程、组分浓度方程以及基于水相组分浓度方程形成的水相饱和度方程。提出了一种隐式顺序解法。先隐式求解压力方程,再隐式求解水相饱和度方程, 最后隐式求解组分浓度方程; 通过聚合物驱和二元复合驱模拟,对该隐式算法与传统的隐式压力-显式浓度算法进行了比较。 该隐式算法稳定性好,提高计算效率大约30％。     

非线性结构-地基动力相互作用问题的高效算法

引入等效一致粘弹性人工边界单元及其输入方法,提出了广义坐标变换方法解决非线性结构-地基动力问题分析的高效方法.基于结构非线性动力反应问题算例与结构-地基动力相互作用系统整体算例,探讨了高效算法用于非线性结构-地基动力相互作用问题的可行性,为实现大型结构-地基系统非线性动力反应问题的快速分析奠定了基础.算例表明,作为一种快速数值计算方法,引入广义坐标变换解决强震作用下的结构-地基动力问题十分有效.     

结构动力数值分析的时频域转换算法研究

研究地震波激励信号及结构响应之间在时频域上的数值对照关系,对于结构动力分析方法的深入发展,及先进时域算法的频域考题验证均有重要意义.首先从理论上公式推导了复数域傅里叶频谱求解方法与实数域三角函数频谱求解方法之间的等价条件,从而在离散傅里叶变换之外,找到了一种可求解时程曲线针对任意频率点频谱的三角函数频谱算法.并针对阻尼体系的动力响应分析,进行了频域与时域算法在激励输入与结构响应领域的转换关系的解析推导,为结构动力响应求解提供了一种新思路.最后,以多质点的阻尼体系的动力响应分析为例数值验证了该方法的有效性.     

振形叠加法与Duhamel积分数值解

振型叠加法是结构动力分析的一种有效方法 ,但主坐标的求解需要做Duhamel积分 .本文推导了一种求Duhamel积分的数值解算法 ,实际应用具有极高的计算效率     

混凝土弹塑性损伤本构模型的动力扩展

在静力弹塑性损伤实用本构模型的基础上,通过将损伤能量释放率阀值粘滞化,建议能考虑应变加载速率影响的实用本构模型.并将阻尼应力引入到本构模型中,使得建议的模型能直接在材料层次考虑刚度阻尼耗能影响.在此基础上,引入受拉塑性应变,延缓受拉损伤的发展,提高模型的稳定性.推导了该模型的计算公式并给出了详细数值算法,将建立的本构模型在ABAQUS中二次开发,通过对Koyna重力坝动力隐式分析表明:刚度阻尼的能量耗散作用能显著增强动力隐式分析的稳定性,引入受拉塑性应变后能增强模型数值稳定性,提高模型计算效率,同时应变率效应对结构的位移反应有一定的影响,且能进一步提高模型的数值稳定性.     

基于边界值方法的微分动力系统快速数值计算方法

针对非线性微分动力系统的快速求解问题,提出了一种新的数值计算方法,将第二类扩展的隐式梯形积分方法应用于微分动力系统的数值计算.该方法利用扩展的梯形积分方法(ETR2)方法对微分方程进行连续的时间差分离散,然后对离散后的非线性方程组采用牛顿法进行整体求解;利用雅克比矩阵所具有的带状结构特征,采用矩阵方程分裂-组合技巧,避免了对整体雅可比矩阵或多个分块子矩阵进行三角分解,从而提高了数值计算的效率.数值算例结果表明:对于高维非线性微分初值问题的数值计算,本文所提出的数值方法的计算效率与传统隐式梯形法相比具有明显的优势.     

均匀轴对称端面荷载下半无限长杆动力学响应

杆结构的导波检测技术因其高效而受到重视.欲利用导波检测杆结构,首先必须明确杆结构的动力学响应特征.利用本征函数展开法导出均匀轴对称端面荷载下半无限长杆瞬态动力学响应问题的解析解.与利用积分变换法得到的解析解相比,该解形式简洁且物理意义清晰.在该解析解基础上,可定量分析外力对各导波模式激发的影响.以端面冲击载荷作用下半无限长杆瞬态动力学响应为例进行数值研究表明,基于该解析解所得结果与有限元法(FEM)模拟结果一致.     

粘弹性三维点辐射无限元

提出粘弹性三维点辐射8结点无限元模型,以坐标原点为极点,以球面为人工边界,用边界点的坐标和位移表示无限元内部任意点的坐标和位移.坐标映射函数和位移函数简单明了,能够方便地反映无限域内位移场的衰减特点.推导了辐射无限元的辐射阻尼矩阵.该模型能较好地模拟弹性半空间的弹性恢复力和辐射阻尼,数值计算时只需对边界进行无限元的单元划分,无需基本解.算例结果表明,本文方法具有良好的精度.     

铰接式岔枕道岔结构落轴冲击数值分析

考虑岔枕下道床的非线性支承和联结铰结构,建立了三维弹性铰链单元数值模拟方法和整组道岔落轴冲击有限元模型,比较分析了时域与频域内铰接式与普通长岔枕道岔结构的振动响应.结果表明:与普通岔枕相比,铰接式岔枕轨道结构的整体刚度较低,缓和了轮轨冲击,改善了道岔区的综合受力环境;改变了普通岔枕的动态特性,极大程度上降低了高速列车过岔时未行车股道岔枕末端对道床的拍击,减少了道砟粉化,延长了道床养护维修周期;道岔区采用高弹性扣件,可与铰接岔枕组合成优良的弹性基础,优化高速道岔动力性能.     

结构动力分析显隐式混合积分并行算法及实现

在分布式并行计算机环境下开展有限元并行算法研究是计算力学领域的前沿课题之一。基于区域分裂法,提出了一种新的结构动力分析的显－隐式混合积分并行算法,给出了其算法执行过程,并从物理直观意义上解释了该算法的设计思想,指出了其本质是一种单元弱耦合的混合积分算法。同时在网络并行计算机群系统上,基于并行平台（ＰＶＭ）设计了算法程序。最后,通过数值算例证明了该算法的可靠性和有效性,并指出了进一步提高并行效率的关键是如何合理确定隐式积分区域单元数目     

边界单元法在地基动力分析中的应用

本文系采用边界单元法对半无限地基进行三维动力分析.分析表明,在半无限体的三维动力分析中,该法远比有限单元法优越得多.文中有关基础与地基间相互作用的动力分析问题的讨论,仅限于三维刚性基础和均质线弹性(或粘弹性)土体.本文将动力问题用边界元法表示成时间域中的公式,并以逐步积分法求得相应的动力反应.最后,将圆形和矩形刚性基础的计算结果与理论值相比,两者十分吻合.     

基于长周期谱值特征的人工地震波初筛与预校正研究

动力计算过程巨大的求解工作量,使得工程人员倾向于采用总持时较短的人工地震波,然而如此在某些状况下容易出现人工波生成效率与精度低下的问题.从地震动过程主要控制参数与目标反应谱间的匹配关系着手,尤其关注强震段持时的影响,从数值原理上分析了传统人工波生成失败或者精度低的原因.提出了以长周期谱值能否达到要求的初筛准则,据此提出了以长周期谱值作为控制依据的快速预校正算法,给出了具体算法框图.最后以算例的形式,验证了本算法的有效性,结果显示该算法从源头上有效地提高了人工波拟合的成功率与精度.     

反应动力学参数的优化模型及算法

干酪根降解过程中的反应动力学参数（即频率因子和活化能）是油气生成数值模 拟中必不可少的关键参数，确定这些参数的问题是个常微分方程组初值问题的反问 题。本文将该问题转化为隐式约束（即动态约束）非线性规划，并讨论规划的分解及 目标函数的性质，从而给出了可在微机上实现的优化算法和实际应用。     

变杆长X形结构隔振系统动力学特性研究

针对传统三参数隔振器谐振段与高频段的隔振效果不能同时保证的问题,提出了一种将几何非线性特征变杆长X形结构隔振器的模型.该模型采用谐波平衡法建立动态响应解析模型,并且将解析解与时域数值解和多体动力学软件Adams得到的仿真数据进行对比,证明解析解正确.在此基础上,分析了变杆长X形结构隔振系统的等效刚度系数、等效阻尼系数、力传递率和多频稳态激励条件下传递到基础的动态力以及关键设计参数对隔振系统传递特性的影响.结果表明变杆长X形结构隔振系统等效刚度和等效阻尼呈单调递增变化;变杆长X形结构隔振系统谐振峰值显著减小且频率未发生变化,对应时域力响应也呈现出相同的变化特征.