分析三维土-结构动力相互作用体系等效输入的时域显式有限元法

基于直接法中分析三维土-结构相互作用问题的两步法思想,提出关键性第一步等效输入计算的时域简化算法。本方法在采用集中质量显式有限单元法结合显式人工边界的同时,借鉴子结构法中刚性基础假设及动力相互作用的概念,简化三维土-结构相互作用体系动力计算过程。和其他同类方法相比,本方法完全采用时域显式递推的过程,计算效率较高,计算量少;等效输入的获得,可使土-结构复杂体系的动力分析等效为常规的上部结构动力反应计算,时域算法较常用的频域法在土体非线性方面存在更大潜力。本文还通过典型的三维土-结构模型的建立,与相应的参考解相比,验证本文提出的计算方法的有效性和计算精度,并初步探讨土-结构动力相互作用体系的一些基本规律。

三维土-结构动力相互作用体系分析的两步时域显式波动有限元过程

为减少直接分析三维大尺度复杂土-结构动力相互作用问题的计算量,提高计算效率,本文直接从波动方程出发,提出了较常规子结构法更简单的两步简化计算过程,即第一步简化上部复杂结构体系为集中质量杆系模型,并求基础处等效输入,第二步通过等效输入求上部结构各位置的动力反应。其中第一步计算主要采用集中质量显式有限单元法结合局部透射人工边界实现,并编写了工程实用性强的时域三维土-结构动力相互作用专用分析程序3DSSI。和其它类似方法相比,本方法的特色从几个方面体现:完全采用时域显式递推的过程,使计算效率较高;上部复杂结构的简化,使计算量仅相当于土体自由场分析;等效输入的获得,可使土体-结构复杂体系的动力分析等效为常规的上部结构动力反应计算;时域算法较常用的频域法在土体非线性方面存在更大潜力。本文还通过典型的三维土-结构模型的建立,与相应的参考解相比,验证了本文提出的计算方法的有效性和计算精度,并初步探讨了土-结构动力相互作用体系的一些基本规律。

动态显式有限元方法在车架耐撞性能分析中的应用

应用动态显式有限元方法对车辆纵向碰撞中车架的大变形过程进行了计算机模拟。文中介绍了显式有限元方法基本理论 ,运用 PAM-CRASH软件预测了车架变形状况和内能吸收能力 ;提出了优化方案 ,并进行对比。结果表明 :改进后的车架耐撞性能有明显的提高 ,达到要求的吸能能力。这种设计方法对整车的设计提供了指导性的参考 。

土体-结构非线性耦合系统动力响应并行计算方法研究

针对土体-结构非线性耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)系统动力响应数值模拟带来的大规模计算量问题,提出基于SSI负载均衡及对偶图理论两种区域分解算法的并行计算方法。结合传统的贪婪法及递归坐标对分方法,对这四种方法的并行性能进行研究。SSI采用基于对称罚函数的方法处理,系统方程采用显式中心差分有限元方法求解。对典型的SSI工程问题动力响应进行并行数值模拟,并对这四种方法的可扩展性进行分析。结果表明:基于SSI负载均衡的并行计算方法,充分考虑土体和结构耦合负载的均衡,并行效率最优,基于对偶图理论区域分解的方法和递归坐标对分方法效率次之,贪婪法并行效率最低;随核数增加,并行效率下降,需根据实际模型规模合理选择并行计算核数,获得最优的并行计算效益;基于罚函数的显式有限元方法能够较好的解决SSI动力响应问题。

波动数值模拟的一种显式方法--一维波动

提出了波动时域数值模拟的一种新的显式方法,并通过一维非规则网格节点递推公式的建立说明该方法.为了阐明应用该法构建高精度、稳定递推公式的可行性,详细论述了一维规则网格标量波动数值模拟的精度和稳定性;提出了构建时空精度皆为2M阶(M为正整数)的稳定递推公式的技术途径,并以构建二阶(M=1)和四阶(M=2)公式为例予以说明.最后,通过算例详细说明了理论结果.

波动数值模拟的一种显式方法——二维波动

将一维波动时域数值模拟的一种显式方法推广到二维,导出了二维非规则网格的节点递推公式.针对均匀正方形网格详细论述了时空精度皆为2M阶(M为正整数)的稳定递推公式的构建方法,并以构建二阶(M=1)和四阶(M=2)公式为例予以说明.最后,通过算例检验了本文研究结果,特别是说明了高阶公式对提高计算效率的价值.

结构动力学方程的显式积分格式

本文从空间解耦有限元常微分方程组出发,探讨了结构动力学方程的高精度显式积分格式。通过被积函数的拉格朗日多项式内插和分部积分导出了波动数值模拟的一组显式时步积分公式。这组公式是时间和空间解耦的,即波场内任一离散节点在任一时刻的波动数据可以用这组公式依据该节点及其邻近节点在该时刻之前的n+1个时刻的波动数据显式地算出(n为非负整数),阐明了这组公式的如下特点:第一,其截断误差的量级不超过O(Δtn+3),Δt为时间步距。第二,它不仅可用于线性波动的数值模拟,而且可用于本构方程具有强非线性情形。第三,这组公式也可推广应用于一系列数学物理暂态问题的数值求解。针对一个简单的时不变系统初步分析了此组积分格式的稳定性。但是,对其稳定性尚需作进一步研究。

岛型工程场地在地震波荷载下的动力响应分析

基于三维显式有限元算法并结合粘弹性人工边界条件,针对某岛型大型工程场地,研究了岛型地质、地形条件对地震动反应的影响,分析了该工程场地地表地震动峰值加速度的分布规律。在对该工程场地进行地震动小区划的基础上,分析了不同区的地表加速度反应谱特性。研究结果为该大型工程场地上建筑及设备布置的地震安全性评价提供参考。

钱塘江河口口门段及杭州湾盐度的数值模拟

鉴于钱塘江河口和杭州湾潮强流急 ,总体上属强混合型海域 ,可以采用计及斜压梯度影响的平面二维盐度方程描述。为适应计算海域所含众多岛屿的复杂平面边界及杭州湾典型的喇叭形态 ,选用三节点三角形等参元的方法进行数值离散 ,其中时间导数采用前差 ,对流项采用迎风格式 ,二阶项先行分部积分处理 ,空间导数采用与中心差分等价的离散方法。在计算验证中发现 ,盐度计算的初值必须尽可能恰如其分地给出 ,可以加速收敛。采用MQ方法插值得到全域各计算点的初值。

基于ABAQUS药芯铝焊丝铝带成型过程的仿真研究

在对显式动力学有限元方法的概念、基本理论和应用范围进行了阐述的基础上,通过ABAQUS有限元仿真软件,在Explict显式动力学模块中,对4047铝药芯焊丝轧制过程中4047铝带成型过程进行了模拟仿真。比较不同铝带速度下铝带成型质量。比较不同质量缩放因子下仿真结果稳定的4047铝合金的成型质量,择优选出成型质量最好、运算速度最快的质量缩放因子。比较不同上下轧辊轴线距离时4047铝合金成型质量,得出了当上下轧辊的距离为4047铝带厚度时其成型质量最佳。

非均质结构非平稳随机响应的快速算法

将扩展多尺度有限元法应用于非平稳随机振动时域显式法中,实现了对非均质结构非平稳随机响应的快速精确计算。首先,论文阐述了扩展多尺度有限元法基本原理。其次,探讨了时域显式法在非平稳随机响应分析中的优势。时域显式法基于动力响应显式表达式直接在时域进行随机振动分析,较传统反应谱法,具有良好的计算精度和计算效率。最后,根据两算法的特性和优势提出统一的多尺度算法框架,使其适用于非均质结构非平稳随机响应分析的快速求解。数值算例验证了该算法的高效性和精确性。

正交各向异性CFRP材料的本构关系及其在平板撞击模拟中的应用

碳纤维增强树脂基类复合材料通常具有力学性能的正交各向异性,因此在对该类材料的动态力学性能研究中,其本构关系及物态方程必须考虑正交各向异性的修正。从经典的正交各向异性弹性本构方程出发,以某型碳纤维增强酚醛树脂材料为研究对象,引入Tsai-Hill准则描述材料的塑性行为,采用Grüneisen物态方程描述压力与体应变之间的非线性关系,建立了正交各向异性材料的三维弹塑性本构模型。并采用显式有限元方法,对三维条件下平板撞击问题中的应力波传播过程进行了模拟。研究表明,所建立的三维本构模型能够合理呈现出材料的各向异性力学特性。对于靶板中平台压力,由于广义体积模量及正交各向异性修正项的引入,得到的压力相对于各向同性模型偏低。设定飞片以100~3000 m/s的速度撞击静止靶板,对计算结果的数值分析发现随着飞片速度上升,正交各向异性模型中修正项对压力的贡献减小。最终正交各向异性模型趋近于各向同性模型。

混凝土细观力学模型研究:非均质影响

本文在改进的混凝土随机骨料生成技术的基础上,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系描述混凝土细观各相组成——骨料、砂浆与界面的性能,建立了随机骨料数值模型与相应的细观单元参数选取方法;在算法上,通过对比二维与三维有限元隐式和显式解法求解混凝土细观力学问题所需内存及CPU时间,表明基于有限元显式解法可有效地减少内存及机时的耗费。在此基础上,引入细观各相组分力学性能的Weibull概率统计分布以表征材料的非均质性,进行了系统的研究。结果表明,细观各相组分的非均质性对混凝土力学性能具有重要影响,主要表现特征为材料力学性能的离散性与强度差异性。

基于离散元法与有限元法耦合模型的网壳结构倒塌过程分析

针对有限元法(FEM)处理不连续位移场所存在的难以收敛、网格需重新划分、裂尖奇异场网格密度大等问题,结合离散元法(DEM)的优点,提出了一种DEM/FEM耦合计算模型。基于罚函数法,通过建立虚功方程及变分原理,得到了界面耦合力的计算公式,给出了耦合模型计算流程并自主开发了相关计算程序,通过算例验证了该耦合计算模型的正确性。并将该耦合模型用于单层球面网壳结构受冲击荷载作用下的倒塌过程仿真,比较了纯FEM、纯DEM及DEM/FEM耦合三种不同计算模型的数值结果与计算效率。计算结果表明:DEM/FEM耦合模型应用于网壳结构倒塌数值模拟时,与纯DEM模型相比,可减少计算规模从而节省机时,计算效率高;在处理强非线性问题时,纯FEM存在不收敛现象而耦合模型则能顺利完成计算分析,更具算法稳定性优势。