基于ABAQUS的粘弹性边界单元及在重力坝抗震分析中的应用

考虑了2种不同的地震输入模型,即无质量地基模型和考虑辐射阻尼的粘弹性边界模型。以大型非线性有限元程序ABAQUS为平台,采用FORTRAN语言开发了用户单元子程序VSB_UEL.for,将粘弹性边界有效地嵌入到ABAQUS中。在尽量避免求解自由场的前提下,将离散的地震荷载转化为等效结点荷载,编写的计算程序可以方便地将等效荷载施加到人工边界结点上,并通过数值算例验证了粘弹性边界单元及波动输入程序的正确性,其求解效率和计算精度均令人满意,最后将该程序应用到在建的某水电站厂房坝段的抗震分析中。结果表明,与传统的固定边界无质量地基相比,考虑了粘弹性人工边界后,坝体的动力响应峰值减小了20%~40%;在进行结构动力响应分析时,考虑无限域地基的辐射阻尼影响是很有必要的。文中的用户子程序及波动输入程序很容易扩展至三维,为同类工程的抗震分析提供了简洁、合理的计算模式。

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UPFs的三维紧支粘弹性边界单元

基于三维粘弹性人工边界理论,推导建立了类似于普通有限单元而具有粘弹性人工边界特性的三维紧支粘弹性边界单元,并结合UPFs二次开发的特点成功嵌入通用有限元软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题和内源问题算例,对上述建立的单元进行了验证,计算结果表明,该单元具有与等效弹簧-阻尼器单元相同的精度和稳定性,并且使用更为简便,可操作性更强,同时基于ANSYS强大的开发平台和非线性计算能力,尚可开展其他特殊用途单元的二次开发。

粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究

本文引用一致粘弹性边界的概念,推导了与一致粘弹性边界等效的粘弹性边界单元,得到了粘弹性边界单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对比粘弹性边界单元阻尼系数不同取值的计算精度,给出了阻尼系数推荐取值。在输入地震动时,采用一种基于局部人工边界的子结构输入方法,实现了和波动法相同的输入效果,并且避免了复杂的应力计算和荷载作用方向判断等问题,应用更加方便。采用自由场的算例,比较了人工边界和不同输入方式的组合在SV波垂直入射时的模拟精度。为了说明边界单元的变形对计算结果的影响,提出了使用底边界输入位移幅值u max和边界单元宽度b的比值ε=u max/b作为变形指标,调节边界单元边长尺寸。通过算例给出了ε的推荐取值。最后,选取合适的ε后建立一个圆形孔洞散射场地模型,对散射场地模型的模拟结果验证了粘弹性边界单元和子结构输入方式应用于散射场地时仍具有较高精度。

采用粘弹性人工边界单元时显式算法稳定性分析

在土-结构地震反应或近场地震波动问题的分析中,常采用粘弹性人工边界单元将无限域问题转化为近场有限域问题进行计算。由于粘弹性人工边界单元的材料参数和单元尺寸与内部介质单元不同,采用显式时域逐步积分算法时,人工边界区与内部系统的数值稳定条件存在差异,但目前尚未有针对性的分析方法和研究成果,影响了显式数值稳定条件的确定和稳定积分时间步长的正确选取。针对二维粘弹性人工边界单元,该文提出一种分析显式时域逐步积分算法稳定性的方法:建立可代表人工边界区域特征的,包含人工边界单元的若干局部子系统,对各子系统的传递矩阵进行分析,给出采用显式时域逐步积分算法时各子系统的稳定条件解析解。通过对各子系统的稳定条件进行对比分析,获得了采用粘弹性人工边界单元时,显式时域逐步积分算法的统一稳定性条件。当内部介质区也满足该稳定条件时,这一条件成为使整体系统数值计算稳定的充分条件,可用于指导数值分析中离散时间步长的选取。

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.

基于粘弹性边界的综合管廊抗震支墩性能分析

管线支墩用于给排水管道的支撑,是综合管廊建设的重要组成部分,其加工质量和结构性能也是施工重点控制对象,而地震是影响其使用性能的主要原因。本文提出了一种新型支墩结构,旨在提升结构抗震性能。文中简述了新型抗震支墩的结构特征,在粘弹性边界条件的基础上建立了传统结构和抗震结构的有限元模型,采用动力时程分析的方法对其抗震性能进行了对比分析。研究结果表明:在地震作用下,抗震支墩和普通支墩支承下的管道最大加速度降低了59%,最大应力减小了24.06%,抗震支墩通过阻尼橡胶垫增加结构阻尼,隔离地震对管道的作用,减少管道应力,控制加速度,对管道起到了很好的安全保障。

弹性力学的插值型边界无单元法

我们讨论了移动最小二乘插值法,对Lancaster推导的公式进行了改进.在边界无单元法的基础上,将边界积分方程方法和本文改进的移动最小二乘插值法结合,提出了弹性力学的插值型边界无单元法,推导了相应的公式.本文改进的移动最小二乘插值法中的形函数具有Kronecker函数的性质,所以我们提出的插值型边界无单元法可以很容易地直接施加本质边界条件.我们提出的插值型边界无单元法以节点的真实变量作为未知函数,是无网格边界积分方程方法的直接解法,具有较高的精度.最后给出了数值算例说明了本文方法的有效性.

地基辐射阻尼对结构地震响应的影响

ABAQUS作为一种功能强大的工程分析模拟软件,在动力响应分析中具有很大优势.为此,将黏弹性边界单元与大型商业软件ABAQUS相耦合,利用ABAQUS实现对黏弹性边界的模拟,通过算例比较了结构在黏弹性边界、黏性边界和固定边界条件下的动力响应,并在考虑黏弹性边界影响的情况下,对一实际水闸-地基系统进行了地震响应分析.分析结果表明：黏弹性边界精度明显高于其他2种边界,可用于结构-土动力相互作用分析;辐射阻尼能够显著减小结构地震响应30%-40%.

某高精密设备平台基础隔振措施分析

结合某高精密设备平台基础隔振实际工程,基于UPFs(User Programmable Features)二次开发特点,提出考虑基础-地基-基础动力相互作用计算基础隔振分析的三维有限元方法。该方法首先将动力机器、周围地基以及高精密设备平台基础作为完整的研究对象,通过引入三维紧支黏弹性边界单元模拟半无限地基辐射阻尼效应和远场介质的弹性恢复性能,并在通用有限元软件ANSYS中实现。进而基于最小二乘方法回归分析得到振动衰减关系曲线,通过其与数值分析结果的对比验证计算模型的合理性。最后针对此工程场地条件建立隔振沟减振隔振措施的有限元模型,并对隔振沟影响因素的减振效果进行分析。计算结果表明,隔振沟的位置、深度以及长度是实际工程中需要考虑的重要因素,对其进行合理的选取可获得较好的隔振效果。

悬转扒杆结构有限元分析

通过将悬转扒杆结构简化为梁—杆单元 ,进行有限元离散 ,对扒杆在井架最上和最下两个极端位置进行了有限元计算 ,主要分析了扒杆在水平吊重和垂直吊重 ,单臂吊重和双臂吊重等工作状态下结构的受力情况。针对悬转扒杆中的套筒结构 ,提出了以弹性边界单元 ,取代套筒的约束作用的方法。采用这种方法 ,可直接用通用有限元结构分析程序分析带有套筒的复杂结构 ,且将问题分解。

高速铁路无砟轨道路基动力特性数值模拟和试验研究

高速铁路无砟轨道改变了传统有砟轨道的结构形式,导致列车荷载在基床结构中的分布及传递特性发生变化,研究列车动荷载作用下轨道/路基系统动力相互作用问题已经成为高速铁路路基结构设计中考虑的主要问题。将三维一致黏弹性人工边界单元引入ABAQUS有限元软件,建立以连续轴重荷载组成列车荷载、采用一致黏弹性人工边界单元作为边界的三维无砟轨道/路基有限元模型,选取国家轨道试验中心的无砟轨道结构参数计算得到路基动应力,并与动车组CRH2运行的实测数据进行对比。结果表明两者具有较好的一致性,从而验证了该人工边界单元在无砟轨道高速铁路路基动力响应分析方面的有效性。该边界的成功应用为缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,使得高速铁路路基动力响应的实现变得简单和方便,在个人电脑上即可方便地进行三维计算分析。

基于粘弹性人工边界的综合管廊抗震支架性能分析

管线支架是综合管廊的重要构件之一,而地震是影响其使用性能的主要原因。本文提出了一种新型抗震支架结构,简要论述了抗震支架和传统支架的区别和抗震功能的实现。在粘弹性边界条件的基础上建立了传统结构和抗震结构的有限元模型,采用动力时程分析的方法对其抗震性能进行了对比分析。研究结果表明:在地震作用下,抗震支架结构相比普通支架结构,位移变化降低了55%,最大应力减小了26%,抗震支架通过缓冲结构吸收能量、减小结构变形,为管线在地震作用下提供安全保障。

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固-液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明:地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土-地下结构相互作用体系的地震反应。

考虑水-土-桥梁动力相互作用的大跨桥梁地震反应分析

为了研究地震动作用下动水压力对深水桥梁的影响,基于局部动力人工边界、流体边界及流固耦合理论方法建立了水-土-单桩整体模型,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,同简化的Morison方程法模拟方式及无水模型进行对比分析,研究考虑桩土作用前提下工程简化方法和考虑流固耦合的整体方法的差异,以及桩土作用下动水压力对单桩结构动力反应的影响。在此基础上,以某跨海大跨连续刚构桥为背景,首次建立了水-土-桥梁系统的整体动力有限元模型,研究水-土-桥梁系统的地震动力反应,分析了桥梁各构件的内力幅值和分布规律,并与未考虑动水作用下的桥梁结构进行对比,分析了动水压力对深水桥梁的地震反应的影响规律。结果表明,动水作用受地震波频率影响较大,但规律相近,相同外部环境下,由于上部结构和桩土相互作用的不同,动水压力对单桩的影响大于大跨桥梁桩基础的影响。对于大跨桥梁,动水作用对处于水中桩基础的影响较大,水中部分的桩基础内力增幅最大,对水位以上的桥墩影响稍小,考虑动水作用后主梁轴力增加,弯矩减小。

基于粘弹性人工边界的桥涵地下通道抗震支架性能分析

管线支架是桥涵地下通道的重要构件之一,而地震是影响其使用性能的主要原因。本文提出了一种新型抗震支架结构,简要论述了抗震支架和传统支架的区别和抗震功能的实现。在粘弹性边界条件的基础上建立了传统结构和抗震结构的有限元模型,采用动力时程分析的方法对其抗震性能进行了对比分析。研究结果表明:在地震作用下,抗震支架结构相比普通支架结构,位移变化降低了55%,最大应力减小了26%,抗震支架通过缓冲结构吸收能量、减小结构变形,为通道管线在地震作用下提供安全保障。

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。

整体式桥台斜交梁桥地震反应研究

土-结构的相互作用对整体式桥台斜交桥梁的影响较大,目前缺乏相应的抗震研究。为了研究考虑土-结构相互作用的整体式斜交梁桥双向地震作用下的反应,采用ABAQUS数值软件,建立了考虑地基土和台后土在内的桥梁三维整体有限元计算模型,比较了三条不同频率地震波作用下动力时程分析的计算结果,并与采用p-y曲线建立的简化桩土模型计算结果进行对比。结果表明,在多遇地震下二者计算结果较为符合,在强震下计算结果有较大差距,采用整体精细模型能够反映土的非线性性能。由于桥台处与桥梁固结,斜交桥钝角处桥台应力较大,接近锐角处的2倍,台后钝角处的翼墙侧向压力增大,钝角处的桥台应考虑适当加强;强震下台后土和桥台可能出现脱离,台后土的非线性效应明显。

基于时程分析方法的地下综合管廊地震响应分析

为研究地下综合管廊在地震作用下的动力反应,采用模态方法和时程分析方法对综合管廊进行动力响应分析。通过ANSYS建立了管廊整体有限元数值分析模型,采用Drucker-Prager屈服准则模拟考虑土体性状,黏弹性边界解决地震波的散射问题,主从接触面来实现土-结构动力相互作用,研究分析了管廊的模态振型及地震响应、横断面在地震作用下的动力学特性。结果表明：线型管廊结构中部动载效应大,结构中上部应力最大,达到43.2 MPa,接近混凝土屈服极限,为管廊整体抗震设计提供依据。同时,管廊横断面上部的应力大,上中部的动态位移大,为管廊内部支撑系统抗震设计提供依据。