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。

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。

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。

基于位移控制边界单元法盾构隧道开挖引起分层土体变形分析

考虑地基土体非均质性的影响,基于弹性层状半空间地基模型,提出分析多层地基中盾构隧道开挖引起周围土体不排水变形的位移控制边界单元法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中进行求解的状况。针对盾构隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移移动模式,建立层状地基中洞周边值问题的边界积分求解方程,并采用高阶等参单元代替低阶常分布单元得到边界离散方程,同时以弹性层状半空间地基模型的基本解代替常规均匀介质体的Kelvin或Mindlin基本解,最终求得隧道洞周给定位移条件下的土体位移场。算例分析表明:位移控制边界单元法在计算均质地基和非均质层状地基中都具有较好的精度;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理评估盾构隧道施工对周围环境的影响提供一定的理论依据。

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。

边界单元法在高密度电阻率法二维地形改正中的应用效果

给出了高密度电阻率法二维地形改正的边界元数值解法及其探测地下煤气管道时进行二维地形改正的应用实例

用虚裂纹模型研究混凝土裂缝扩展的边界单元法

本文将虚裂纹模型引入边界元法中,从而推出了用虚裂纹模型研究混凝土裂缝扩展过程的边界元法。由于边界元法在解决断裂问题时的优势,使得该法成为分析混凝土裂缝的有效方法之一。文中利用自编程序,给出了算例。

等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元。等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便。同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法。该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性。此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度。数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的。

基于单元子分法的结构多尺度边界单元法

建立在基于单元子分法的一种有效自适应格式以及多区域边界元三步求解技术基础上提出了一种计算结构多尺度问题的多区域边界元法。首先,通过高斯积分误差分析公式确定边界单元在满足精度要求下所需要的高斯点数,当所需高斯点数超过规定数目时该单元就被自动划分成一定数量的子单元,从而消除结构多尺度所引起的近奇异性。在单元子分技术的基础上采用多区域边界元三步求解技术来处理材料非均质问题:第一步消除各子域的内部未知量,第二步消除各子域独自拥有的边界未知量,第三步根据位移相容性条件和面力平衡条件建立系统方程组并求解公共界面节点位移以及每个子域的其他未知量。数值算例结果表明本方法可以用较少的计算时间得到满意的结果,是处理结构多尺度问题的一种有效方法。

用边界单元法求解巷道围岩的散热量

将围岩温度场的导热微分方程及其单值性条件转化为无因次形式 ,将求解巷道壁面温度或围岩散热量的问题归结为求解不稳定换热准数 Kuτ.利用二维不稳定导热方程的时间相关基本解建立边界积分方程 ,用边界单元法计算风流与围岩不稳定换热准数 .在此基础上编制了计算机程序 ,根据计算结果绘制了巷道不稳定换热准数随毕渥准数 Bi及傅立叶准数 Fo的变化曲线 .对于实际问题 ,可先计算该问题对应的 Fo和 Bi,再按本文方法确定 Kuτ,最后可计算出巷道围岩散热量 .

三维电场直流电阻率边界单元法地形改正

电法观测易受到地形的影响,给资料解释造成困难。这里对数值计算中地面网格节点的立体角(ω)公式进行了严格地推导,利用边界单元法对三维直流电场的地形影响进行了计算并编写了程序。90°角域山脊地形算例表明,解析解与数值解的电位及视电阻率相对误差小于5%,验证了算法及程序的正确性。实例计算了3D山谷地形2D观测剖面的地形效应,当旁侧剖面与主剖面距离大于24m时,地形效应最大值小于5%。

位场向下延拓的边界单元法

引言众所周知,位场向下延拓可以突出局部异常,放大某些在低缓异常中不够明显的异常特征,从而提高了异常解释的可靠性。因此,它在金属矿勘探和石油勘探中得到了越来越广泛的应用。但是,由于位场向下延拓的不适定性,寻找精确而稳定的算法一直是理论和实际工作中的难题之一。近些年来,不少学者从事这方面的研究,提出了一些新的算法或改进措施。候重初提出了频率域位场逐次向下延拓的方法;王延忠、熊光楚讨论了频率域利用组合滤波器实现位场向下延拓,取得了较好的效果。

基于多边形网格的变系数问题边界单元法

提出一种用多边形网格计算二维变系数问题域积分的新型边界单元法。首先,构造了由任意多边组成的多边形网格形函数,用于几何与物理量的插值;其次,用径向积分法将多边形域积分转换成沿多边形周边的线积分,有效解决了各类非规则多边形网格的单元积分难题;最后,三个有关功能梯度材料与结构的数值算例结果显示本文提出的算法和常规有限元相比误差小于1%,说明本文方法具有很高的精度,且由于其单元积分时无需对积分函数或者积分域进行三角化等额外处理,该方法具有很高的效率。

蜂窝夹心结构等效导热系数反演的边界单元法

对蜂窝夹心结构的等效导热系数进行反演,对于热防护系统的优化设计具有重要意义。本文应用高斯定理、径向基函数和径向积分法,推导了各向异性材料稳态热传导方程的边界单元表达式;应用Newton-Raphson迭代法和复变量求导法,对蜂窝夹心结构等效导热系数进行反演。分别应用形函数、高斯积分和径向基函数插值,对蜂窝夹心结构的边界条件进行等效处理。通过对由4个胞元组成的蜂窝夹心结构的等效导热系数进行反演,验证算法的可靠性。所做工作可将蜂窝夹心结构的复杂多区域问题简化为单区域问题,为求解多胞元蜂窝夹心结构的传热问题创造了较有利条件。

非均质问题中的无网格边界单元法

介绍了一种不需要内部网格计算非均匀介质问题的边界元算法.该算法是建立在一种能将任何区域积分转换成边界积分的径向积分转换法基础上,首先用对应各向同性问题的基本解来建立以正规化位移表示的非均质问题的积分方程,然后用径向积分转换法将出现在积分方程中的区域积分转换成边界积分,从而形成不需要使用内部网格来计算区域积分的纯边界元算法.与其它无网格法相比,此方法需要很少的内部点,有些问题甚至不需要内部点都能得到满意的结果,因此,可以计算大型的三维非均匀介质工程问题.由于此方法继承了边界元和无网格算法的优点,因而具有广阔的发展前景.

边界单元法在高梯度磁选机中的应用——鞍形磁系磁感应强度的计算

将边界单元法应用于高梯度磁选领域，获得了高梯度磁选机中鞍形磁系磁感应强度的数值计算方法，论述了它的程序实现过程和处理技巧，通过实例计算并与实测值比较，结果表明该方法简单易行，精度较高。

边界单元初应变法中域积分项的计算

利用适当坐标变换和张量转换关系,导出用边界单元初应变法求解弹塑性问题时边界积分方程中含初应变的域积分项的解析计算公式,并用算例验证了该公式的正确性。

点源二维电阻率测深边界单元法

本文重点阐述了点源二维电阻率测深边界单元方法原理、方法技术。针对电阻率测深装置特点。提出的区间截断剖分法,有利于节省计算机内存,提高计算速度,降低成本。文中用边界元法计算了若干地电形体上对称四极测深和等比装置的ρs测深曲线,获得了一些有益的结果。