显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性,结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法,提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法,并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程,在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明,采用动力显式分析时,稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果,满足远域地基的回弹性能;振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小,且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。

黏弹性人工边界的地震波参考波场选取方法比较分析

土-结构动力相互作用分析需要引入人工边界对无限域进行模拟,黏弹性人工边界是目前常用人工边界之一。在使用人工边界时,作为地震波动输入的地震波参考波场选取很关键,不同参考波场选取方法的计算精度有很大差异。假定均匀半空间、成层场地、凹陷地形和含地下结构等4种二维场地模型,采用ANSYS有限元软件结合黏弹性人工边界计算工具,考虑SV波垂直入射和30°倾斜入射2种情形,分别对采用3种不同参考波场输入的计算精度进行了详细比较,结果表明:当土-结构动力相互作用计算模型的所有人工边界均选用自由场作为参考波场时,计算结果精度最高。

黏弹性人工边界中侧向边界距离选取对计算精度的影响

现有研究成果和震害调查均表明不规则地形对场地地震响应有重要影响,黏弹性人工边界因具有概念清晰,稳定性高,精度好的优点,广泛用于场地地震响应分析。对场地进行地震响应分析时需从无限介质中截取出计算区域,地震波通过黏弹性人工边界进入计算区,同时该边界模拟无限域的弹性恢复和辐射阻尼作用,但通过人工边界向无限域透射的散射波仍会有部分反射进计算区域形成计算误差。本文分别建立半圆凹陷和陡坎地形场地,基于ANSYS结合黏弹性人工边界对比分析侧向边界距离选取对计算精度的影响,结果表明:地震响应分析中,人工边界截断处会引起边界及相邻一定范围内场地地震响应计算误差,应充分考虑人工边界选取距离对精度的影响,设置合理的人工边界选取长度。

基于隔离非线性法-黏弹性人工边界的结构高效抗震分析方法

黏弹性人工边界是解决土-结构动力相互作用问题的有效手段之一,但其在分析过程中通常需要进行大量的非线性动力时程计算,效率较低。建立采用黏弹性人工边界求解土-结构动力相互作用问题控制方程求解的高效计算方法,为此,引入隔离非线性法高效求解思想,构造基于隔离非线性法-黏弹性人工边界的非线性土-结构动力相互作用分析模型,推导的动力控制方程在形式上与固定边界的隔离非线性动力控制方程基本一致,仅需将黏弹性人工边界的弹簧-阻尼器元件的刚度直接集成到近场土-结构模型的初始刚度矩阵与阻尼矩阵上即可。此外,结合Woodbury公式与组合近似法提出了改进Woodbury近似法,该改进方法能同时降低控制方程求解的时间复杂度与空间复杂度,实现了黏弹性人工边界求解土-结构动力相互作用问题动力控制方程的高效求解。研究方法同时保留了黏弹性人工边界与隔离非线性法的优点,数值算例验证了所提方法的正确性与高效性。

一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元

提出了一致粘弹性人工边界及粘弹性人工边界单元的概念,推导了二维一致粘弹性人工边界单元刚度及阻尼矩阵,并在其基础上使用矩阵等效原理实现了采用普通有限单元模拟的二维粘弹性边界单元。均匀半空间算例与成层半空间算例验证了粘弹性边界单元具有与集中粘弹性人工边界相同的精度,并且实施更为简便。

三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元

基于粘弹性人工边界推导了三维一致粘弹性人工边界单元的刚度及阻尼矩阵,利用单元矩阵等效原理采用普通有限单元构造了等效粘弹性边界单元来模拟三维粘弹性边界。均匀半空间算例与成层半空间算例证明三维粘弹性边界单元具有与集中粘弹性人工边界相近的精度,并且施加更为简便。

采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的改善研究

黏弹性人工边界单元是目前常用的处理半无限空间波动问题的数值模拟方法,可有效吸收计算区域内产生的外行波动.黏弹性人工边界单元具有与内部介质不同的质量密度、刚度和阻尼,受其影响,对整体模型进行显式时域逐步积分时,在边界区域易发生失稳现象,影响整体系统显式积分的计算效率.针对该问题目前尚无行之有效的解决方法.本文针对二维黏弹性人工边界单元,建立可代表整体系统典型特征的侧边子系统和角点子系统,利用传递矩阵谱半径分析方法,基于传统中心差分格式,推导得到局部子系统稳定性条件的解析解.在此基础上通过研究解析解中各物理参数对稳定性条件的影响,给出通过增加人工边界单元的质量密度,以改善采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的方法.均匀和成层半空间波动问题算例分析表明,将内部单元质量密度设置为人工边界单元质量密度的上限,可以在保证黏弹性人工边界计算精度的前提下,有效改善整体系统显式时域逐步积分的数值稳定性,大幅提高计算效率.

基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟

为了解决黏弹性人工边界在实际应用过程中前处理时间长、不易实现等不足之处,提出了基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟方法。利用单元矩阵等效原理,采用薄层单元构造了等效黏弹性边界单元,并通过在大型通用有限元软件MSC Marc中设置等效黏弹性边界单元的参数属性,实现了黏弹性人工边界的模拟。三维均匀弹性半空间算例和某混凝土重力坝工程实例结果表明:采用等效黏弹性边界单元得到的计算结果与理论解、基于黏弹性人工边界的计算值非常相近,相对误差不超过1%。因此,采用薄层单元的模拟的黏弹性人工边界具有足够的精度,且施加方便,这为实际工程进行抗震分析提供了简便且精确的方法。

三维一致黏弹性人工边界在城市防洪工程抗震分析中的应用

结合福州市闽江防洪工程,将三维一致黏弹性人工边界及其等效单元应用于该防洪堤及地基的非线性动力分析中,采用El-Centro地震加速度记录作为激励,通过数值计算讨论了不同地基边界条件对防洪堤地震响应的影响。计算结果表明,考虑地基辐射阻尼的影响后,防洪堤的动力响应较固定边界无质量地基情况明显减弱,地基土体的液化范围明显减小并与试验结果吻合良好,计算精度进一步提高。研究成果可为类似工程的抗震分析提供参考。

二维弧形一致黏弹性边界单元适用性问题研究

基于黏弹性人工边界单元理论,改变了传统的平直人工边界,提出一种采用二维弧形一致黏弹性边界单元模拟半无限域人工边界的全新思路。通过算例,详细介绍了其建立思路及其在有限元软件中设置的具体流程,并对二维弧形一致黏弹性边界单元模型的可靠性进行验算;同时,深入讨论了输入震源频域、介质的弹性常数和单元厚度对计算结果的影响,并给出了二维弧形一致黏弹性边界单元的适用范围。结果表明,该单元的精度和稳定性均优于普通黏弹性边界单元,而且其使用起来更为简便。

黏弹性人工边界在ADINA中的应用

探讨利用AD INA的弹簧阻尼单元模拟黏弹性人工边界的方法,并进行了均匀半空间算例与成层半空间的计算,验正了采用的黏弹性人工边界具有较高的精度,可以方便的应用于波动问题的模拟解析,从而可以有效地分析结构—地基的动力相互作用问题。

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.

三维黏弹性人工边界地震波动输入方法研究

对三维黏弹性人工边界给出了一种实用的地震波动输入方法。用等效边界力法进行地震波动输入时,把入射地震波假设为竖直向上入射的平面波,使施加在人工边界上的总荷载可以由输入波位移和速度的关系式完全表达,使地震动输入更容易在有限元计算程序中实现。解决了三维黏弹性人工边界采用球面波进行地震波动输入会出现尚待确定的未知项,不易实现地震波动的输入的困难。数值算例表明,该地震波动输入方法是十分有效的。

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明:在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的2e-αx倍。

黏-弹性人工边界在双江口土石坝动力分析中的应用

应用黏-弹性人工边界于双江口土石坝的动力响应分析中,考察了黏-弹性人工边界及地基辐射阻尼效应对土石坝动力响应的影响程度。计算果表明,该方法比传统的固定边界无质量地基下的大坝加速度动响应结果降低了15%~30%,在土石坝的动力响应分析中应当予以重视。

基于黏弹性边界的桩侧溶洞地震效应分析

为了探究岩溶发育地区桩侧溶洞-桩基共同体系的地震响应效应,基于黏弹性边界理论,采用有限单元法建立溶洞-桩基共同体系二维有限元数值计算模型,模拟了地震荷载下不同溶洞大小、溶洞位置以及桩径等情况桩顶位移的变化规律。结果表明:在地震时程作用期间内,桩身最大水平位移会随着埋深的增大不断减小,但溶洞附近桩身最大水平位移会出现增大现象;地震波加速度峰值越大、溶洞直径越大、溶洞桩基距离越小、溶洞距离地面越近、桩径越小等因素都会使桩基动力响应效应更为显著,导致桩顶位移峰值增大。

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程,分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式．在应力表达形式上,固相介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成,它们分别与质点的位移和速度成正比,因此,可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧-黏滞阻尼器,用来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用,从而形成了流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界．流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通用软件结合,用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题．算例表明流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性．

饱和多孔介质三维时域黏弹性人工边界与动力反应分析的显式有限元法

本文基于Biot的饱和多孔介质本构方程,考察具有辐射阻尼的外行球面波,推导了饱和多孔介质三维黏弹性人工边界的法向和切向边界方程;在已有的饱和多孔介质二维显式有限元数值计算方法基础上,提出该理论的三维方法,并开发了实现该三维方法的有限元程序.算例表明饱和多孔介质三维时域黏弹性人工边界与动力反应分析的显式有限元法具有较好的精度和稳定性.

多源散射黏弹性叠加人工边界探究及在桥梁工程中的应用

近年来黏弹性人工边界被提出,它在土-结构动力相互作用中得到广泛应用并取得较好的效果。但这些应用通常是在单个结构物的情况下进行的,即所谓单源散射问题。工程中会遇到多源散射问题,例如多跨桥梁、铁路路基等,其桥梁基础或轨枕是多个并且其分布的距离可能很远。这种情况下仍然采用单源散射问题的黏弹性人工边界,会产生一定的误差。针对这种情况,在原有黏弹性人工边界的基础上,提出多源黏弹性叠加人工边界,其适用于有多点内源输入荷载和多点地震动输入的情况。计算对比表明,在处理多源问题时,该方法能够在一定程度上提高黏弹性人工边界的精度。最后基于多源黏弹性人工边界理论对一5跨简支梁桥进行计算,计算表明,局部地形效应、土-结构动力相互作用及地震波入射角度等对桥梁在地震作用下的动力响应有一定的影响。

饱和多孔介质近场波动分析的一种黏弹性人工边界

采用有限模型数值方法求解能量开放系统中的波动问题时,虚拟人工边界的处理方式对计算结果的准确性和精度具有重要的影响.本文针对无限域饱和多孔介质中波传播问题的人工边界处理方式进行了研究,提出了饱和多孔介质近场波动分析的一种黏弹性人工边界处理方法.在考虑多孔介质中固相和液相的相互作用的情况下,通过在人工边界处分别施加反映固相和液相介质波传播效应的弹簧及阻尼来模拟饱和多孔介质中波的能量辐射效应影响.算例表明,本文建议的黏弹性人工边界具有较好的模拟效果.