u–p格式饱和两相介质动力问题的显–隐式交替算法

针对以土骨架位移u和孔隙流体压力p为基本未知量的饱和两相介质动力方程,提出基于中心差分法和精细时程积分法相结合的时域显–隐交替算法,分析饱和两相介质动力反应。该算法对孔压方程非齐次项的计算分别采用Gauss积分,梯形积分和Lagrange二次插值函数近似位移的方法近似模拟;同时提出一种基于精细积分方法的三次样条插值函数法,进而回避了对孔压方程耦合速度项积分时涉及的矩阵求逆运算问题。计算结果与Zienkiewicz显–隐式结果对比,两者结果基本一致,证明了方法的有效性。

考虑惯性耦合的两相介质动力反应显式数值计算方法

基于包含惯性耦合(耦合质量密度系数)的u‑p形式饱和两相介质弹性波动方程,开展了对饱和两相介质近场波动问题时域全显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量集中矩阵和流体压缩矩阵对角化处理,消除了方程中的动力耦联的影响。分别应用中心差分法和Newmark常平均加速度法求解固相位移和固相速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,建立了考虑惯性耦合的饱和两相介质的时域显式数值计算方法。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该方法应用于饱和两相介质自由场的地震反应问题,研究了惯性耦合对两相介质动力反应的影响。基于本文研究的两种情况表明,惯性耦合对饱和两相介质动力反应的影响程度有限。

饱和多孔介质动力响应移动单元法分析

移动单元法在处理移动荷载下结构动力行为分析方面具有求解高效的优势,但目前针对饱和多孔介质动力响应的移动单元法的研究成果甚少。根据饱和多孔介质u-p格式动力控制方程,利用移动坐标系建立了饱和多孔介质瞬态及稳态动力控制方程的移动单元列式,通过编制相应的计算程序将计算结果与已有文献结果对比验证了算法的正确和有效性。基于移动单元法建立了移动荷载下饱和沥青路面-弹性基层系统计算模型,分析了移动荷载下该模型的瞬态动力响应规律,并与其稳态动力响应进行了对比分析,分析表明,其水动力特性较稳态响应呈现出明显的瞬态效应。基于稳态动力响应结果分析了荷载速度、排水边界、渗透系数对饱和沥青路面动力响应的影响规律,算例研究结果可以为分析水动力作用下沥青路面水稳定性功能损伤机制提供参考。

悬臂式离心泵流固耦合特性研究

针对悬臂式离心泵流固耦合问题,采用单向耦合方法,在不同悬臂比、不同工况下,分析叶轮应力、应变的变化规律,获取离心泵在运转过程中最容易发生强度破坏和刚度破坏的位置,并在有预应力和无预应力下,对不同悬臂比离心泵的转子动力学特性进行研究。结果表明:在一定工况下,悬臂比越小,叶轮的变形越小,叶轮后盖板中间流道处最有可能发生刚度破坏,叶片出口边缘与前、后盖板交接处最有可能发生强度破坏;悬臂比越小,离心泵转子系统的固有频率越大,流固耦合作用会降低转子系统的前三阶固有频率。

基于Comsol的饱和多孔介质动力方程的数值模拟及应用

两相饱和多孔介质的动力响应问题在地震工程领域具有重要的研究意义,由于涉及到固相和液相的动力耦合,使得该问题的求解尤为复杂。本文利用Comsol在求解多场耦合问题上的优点,针对Biot饱和多孔介质u-U耦合形式下的波动方程特征,经过一系列微分算子运算和矩阵变换得到导数形式下的波动方程,基于Comsol Multiphysics提供的广义偏微分方程模式对变形后的波动方程进行求解,并把改进后的无限元边界应用到无限域动力问题的模拟中。通过与饱和多孔介质动力响应的解析解进行对比,验证模型求解技术的可行性和正确性,并在此基础上讨论饱和土地基中空沟隔振效果与饱和土体参数孔隙率、泊松比的关系。通过研究分析,可以为饱和土地基中空沟隔振设计提供一些有价值的参考。

循环荷载饱和土动力学问题稳定有限元解法

使用等阶近似插值函数的常规有限元方法,在求解渗透系数较小且孔隙水压缩性可以忽略不计的饱和土动力学u–p形式时存在数值上的困难。首先讨论分别基于交叉时域解法和对孔隙水流动守恒方程直接修正的两类稳定方法。然后将着重分析这两种方法所得到的稳态形式,根据它们的稳态形式,讨论了关键的单元稳定参数的选取,从而使孔压的计算精度得到大大的提高。最后,给出了两个关于饱和土体受到表面循环荷载的计算实例来说明所提出有限元技术的有效性。

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元.通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性.结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散.将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应.结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.

饱和土一维简谐响应解析解的求解和应用:II应用

将相关论文[1]中得到的饱和土一维简谐响应解析解,应用到饱和土中两类压缩波的独立作用、饱和土中波的传播速度、u-p方程的适用范围等研究中。在两类压缩波的独立作用研究中,克服了以前文献中的数学不严密性。研究了饱和土各参数对三种体波波速的影响。通过比较u-w和u-p方程的解答,定量地说明了u-p方程的适用范围。

饱和两相介质动力固结问题时域求解的精细时程积分方法

针对u-p形式的饱和两相介质波动方程,采用精细时程积分方法计算固相位移u,采用向后差分算法求解流体压力p,建立了饱和两相介质动力固结问题时域求解的精细时程积分方法。针对标准算例,对该方法的计算精度进行了校核。开展了该方法相关算法特性的研究,对采用不同数值积分方法计算非齐次波动方程特解项计算精度的差异进行了对比研究,并对采用不同积分点数目的高斯积分法计算特解项条件下计算精度的差异进行了对比研究。研究结果表明,(1)该方法具有良好的计算精度。(2)计算非齐次波动方程特解项的数值积分方法中,梯形积分法的计算精度最差,高斯积分法、辛普生积分法和科茨积分法都具有较好的计算精度。(3)增加高斯积分点数目对于提高计算精度的作用并不显著。

饱和两相介质近场波动问题的一种时域全显式数值计算方法

基于u-p形式的饱和两相介质弹性波动方程,开展了饱和两相介质近场波动问题时域显式数值计算方法的研究。通过对波动方程中的质量矩阵和孔隙流体压缩矩阵进行对角化处理,消除了方程中的动力耦联,实现了波动方程的解耦。分别应用中心差分法和Newmark常平均加速度法求解固相位移和速度,基于向后差分法求解孔隙流体压力,推导得到了饱和两相介质动力响应的时域显式逐步积分的计算列式,建立了饱和两相介质近场波动问题的一种新的时域全显式数值计算方法。进行了该文方法中矩阵对角化合理性的验证。将该方法的数值解与相应的解析解进行对比,二者符合良好,验证了该方法的正确性。将该文建立的时域数值计算方法与透射人工边界方法相结合,应用于饱和两相介质的近场波动问题,进行了饱和土场地地震响应的计算研究,计算结果符合弹性波动理论的基本规律,表明该方法对于饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的适用性。基于该方法中时域递推计算格式的传递矩阵,进行了该方法稳定性特性的研究。该文建立的数值计算方法具有时域全显式算法的基本特征。方法中对动力响应的全部分量均采用递推和迭代的模式进行求解,避免了求解耦联的动力方程组。该方法具有较高的计算效率,是进行饱和两相介质近场波动问题时域计算求解的一种有效的算法。

二维饱和土体动态孔隙率及相关动力响应特性研究

饱和多孔介质的动力响应研究在众多工程领域具有重要意义。充分考虑孔隙率的变化规律与影响因素,有利于合理揭示饱和多孔介质的相关力学行为。为此,将动态孔隙率模型与用于表征饱和多孔介质动力特性的u-U-p型方程结合,构建相应的非线性力学模型,利用Comsol Multiphysis PDE求取相应的数值解,以此研究不同透水条件下,受谐波载荷激励的二维饱和土体的孔隙率、变形量及孔隙水压力的变化规律。结果表明:孔隙率的变化与土骨架的体应变及孔隙水压力直接相关,土体压缩过程中,孔隙率相应减小,土骨架与孔隙流体的相互作用增强,土体运动时所受阻力增大,其无量纲竖向位移小于孔隙率被视为常数时的情况,在此条件下,由于土体的变形量减小,其孔隙水压力也相对减小。故充分考虑动态孔隙率,有利于更加精确地研究等饱土体和多孔介质的相关力学行为。此外,土体上表面透水条件下,孔隙流体可以从土体表面自由排出,土骨架承受的载荷更大,与不透水条件相比,土体孔隙率、竖向位移、孔隙水压力等变化更为显著。

饱和多孔介质的二维Green函数及地震反应的BEM计算

按照De Hoop的方法,通过三维解答的积分得到集中力作用下饱和多孔介质U-P形式的二维Green函数,利用耦合纵波的解耦及分波类型的奇异点处理,完成了集中力作用下半空间多孔介质动力响应的BEM计算,通过Duhamel公式积分分别给出了在输入EI Centro和2008年汶川地震加速度记录后的饱和土隧道的地震响应计算。研究结果表明:隧道的地震放大作用明显;EI Centro或汶川2008地震记录作用下,隧道底部的响应均要大于中间和顶部的响应。

基于精细时程积分的饱和两相介质波动问题时域解法

针对u-p形式的饱和两相介质的波动方程,采用精细时程积分方法计算固相位移u,采用向后差分算法求解流体压力p,建立了基于精细时程积分技术的饱和两相介质波动问题的时域求解方法。针对标准算例,将该方法的计算结果与可视为标准结果的Zienkiewicz隐式算法的计算结果进行比较分析,二者符合较好,表明了该方法具有良好的计算精度。同时,该方法的计算过程为交替迭代求解,避免了在每个时间分析步上求解耦联方程组,因而具有较高的计算效率。该方法具有时域显式计算方法的基本特点,是进行饱和两相介质动力问题计算与分析的一种有效方法。

热电偶温度传感器响应时间测试及分析

在国防及航天领域,研究热电偶温度传感器的动态响应特性,对动态过程的测量准确度和控制系统的实时性具有十分重要的工程价值和现实意义。使用热电偶温度传感器响应时间测试系统,对7只不同结构的热电偶温度传感器进行试验,根据对比分析时间常数及响应时间的测试结果,为动态温度信号测量过程中热电偶温度传感器的选型及使用提供参考。

风浪荷载共同作用下的海洋桩基动力响应

为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.