三维沉积盆地对地震动的放大效应——间接边界元法模拟

基于一种高精度间接边界元法(IBEM),实现了沉积盆地三维地震响应的频域、时域精细求解,并以半空间中椭球形沉积盆地对平面P波和SV波的散射为例,着重探讨了入射角度、入射波型、入射频率、盆地长宽比和深宽比对沉积盆地地震动放大效应的影响规律.结果表明:盆地形状对地震波的放大效应和空间分布状态具有显著影响,且具体规律受控于入射波频段.1随着盆地深度增大,盆地边缘面波发育更为充分,在较宽频段内均会出现显著的地震动放大效应,且深盆地的放大区域集中于盆地中部.2圆形盆地对地震波的汇聚效应最为显著,而狭长盆地对地震波的汇聚作用相对较弱,高频情况下可在盆地内部形成多个聚焦区域.3不同波型入射下,盆地对地震动放大效应的机制有所差异:P波入射下,竖向位移放大主要是由于盆地边缘面波由四周向中部汇聚所致;SV波入射下,边缘面波汇聚效应相对较弱,而当盆地较深时,底部透射体波和边缘面波易形成同相干涉从而显著放大地震动.按盆地内外介质波速比为1/2,P波和SV波垂直入射下频域最大放大倍数分别为25和15,时域放大倍数约为4.0和3.7(雷克子波).4低频波入射下,位移从盆地中部向边缘逐渐减小,且浅层沉积盆地对地表位移幅值的放大作用不明显.5 P波和SV波的入射角度对盆地地震动放大幅值及空间分布特征也具有显著影响.

弹性问题间接边界元法的修正

弹性问题间接边界元法对内域问题因精度低而难以实用。本文建议了一个修正方法,其要点是消除刚体移动及转动的影响,相应增加虚荷载静力平衡方程式。从力学意义上阐明建议的方法可求得正确解,并用若干算例对此加以证实。

弹性力学间接边界元法修正问题的探讨

1 前言间接边界元法中的虚荷载法求解二维弹性力学问题的离散方程为其中 G,H——由基本解在单元上积分所得系数矩阵;Φ——各单元上的虚拟荷载;?——已知位移,?——已知面力.

含流体层的河谷场地对地震波散射的间接边界元法模拟

结合单相介质动力格林函数和流体域格林函数,将间接边界元方法拓展到含流体层河谷对地震波散射的求解,并结合具体算例进行大量参数分析。研究结果表明,含流体层河谷地形对平面P波、SV波入射时的地震响应受控于入射波频率、入射波角度及流体深度等多种因素。总体来看:(1)在低频域内,含流体河谷底部及附近地表的频谱特性与不含流体的河谷反应基本一致;(2) P波入射时在水层体系共振频率处,河谷底部位移缩小效应显著,而此频率处流体表面位移达到最大;(3)流体层具有吸收地震波能量的作用,流体深度越大,河谷表面及附近地表的地震动位移越小。研究成果可在一定程度上为河谷地形附近地震动效应的评估及防震减灾工作提供理论依据。

一种低存储迭代伽辽金间接边界元方法与其在有界波发生器设计中的应用

为了克服间接边界元方法的存储要求高、求解速度慢的问题,提出了一种低存储要求迭代求解的间接边界元求解方法。采用Galerkin方法获得间接边界元方程组的系数,根据物理耦合程度的差异,构造方程组的求解格式。对于空间距离较远的单元,在迭代中直接计算耦合系数。由于不存储这些单元对应的系数,可将方程组的存储从O(N2)降低至O(N)。该方法应用于有界波模拟发生器的电容计算中,数值算例表明:该方法可有效提高设计效率和阻抗匹配的准确性。从理论上讲,该方法实质上是一种基于物理耦合的预条件技术的应用,因此,其可推广应用到电磁场数值计算涉及满阵求解的场合。

用边界元法计算永磁体磁场

本文提出用间接边界元法计算任意界面的永久磁铁所产生的空间磁场，推导出其磁场计算公式。实际计算了稀土永久磁铁的磁场分布，并与实测值进行了比较。实际计算结果表明这是一种简单而实用的方法。

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下"围岩-减震层-浅埋衬砌隧道"体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明:总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。

某隧道工程的参数反演及围岩稳定边界元分析

针对某隧洞工程的围岩稳定分析 ,利用间接边界元法进行了初始应力场的参数反演和洞周应力分布探讨 ,并对该工程的施工提出了建议。

迎水坝面地震动水压力的无奇异边界元分析

归化出迎水坝面地震动水压力的等价的间接变量无奇异边界积分方程,有效避免了奇异边界积分的计算.数值实施时,离散化的边界几何段采用线性几何单元描述,其上的边界量采用二次不连续插值函数逼近.分析了动水压力随坝体变形的变化,所得数值结果与韦氏解答相当吻合,而且计算效率比传统直接边界元法高.

沉积河谷-建筑群地震动力相互作用的二维IBEM模拟

众多城市坐落于沉积河谷之中,沉积河谷-密集建筑群间的地震动力相互作用规律尚不明确。采用间接边界元方法(IBEM),对在平面SV波入射下,沉积河谷-建筑群之间的地震相互作用进行二维模拟计算和参数分析。研究结果表明:沉积河谷-建筑群间存在着显著而复杂的地震动力相互作用;较浅沉积河谷中建筑群地震响应呈现强弱交替变换特征;入射波角度、沉积河谷的材料、几何特征是影响沉积河谷-建筑群整体地震响应规律的关键因素。总体上看,建筑群对浅沉积河谷地震动响应有较大的降幅效应,特别是高频波入射下最大降幅近50%。实际河谷地震放大效应评估需考虑密集建筑群的影响,而位于地震波聚焦位置的建筑物需适当提高设防标准。

层状地基中隔振沟对移动列车荷载隔振研究-2.5维IBEM方法

建立层状地基-轨道-隔振沟耦合动力系统,采用2.5维间接边界元方法 (IBEM)研究了层状地基中隔振沟对移动列车荷载下地基振动的隔振问题。采用子结构方法,将系统分解为含隔振沟的层状地基和轨道子结构,采用2.5维IBEM方法求得含隔振沟层状地基在移动均布荷载作用下的层状地基柔度,然后通过地基表面轨道中心点的竖向位移与轨道竖向位移相等将轨道和层状地基耦合。通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并对不同地基、隔振沟参数下的模型进行了算例分析。研究表明:不同地基模型下隔振沟有不同的隔振效果,且隔振沟深度及其与轨道距离均对隔振效果有不同程度的影响。通过对瑞典X2000高速列车在实际软土地基上的隔振计算发现,隔振沟的隔振效果随着沟深的增加而增大,且相对低频区域而言,隔振沟对高频区域的隔振效果更好。

近直下型断层的地铁车站结构地震响应

目前在近断层场地中地下地铁车站抗震性能水平认识方面相对匮乏,鉴于此,提出了一种考虑发震断层-地下结构全过程地震响应的IBE-FEM联合求解分析方法。首先,基于运动学有限断层模型,采用间接边界元方法(IBE)求解直下型走滑断层错动作用下上覆软土沉积层场地内的地震波场,并验证了有限元法(FEM)间接求解地震波场的可行性;在此基础上,通过建立土-地下连续墙-主体结构非线性静-动力耦合的二维整体时域有限元模型,初步探究了断层-软土场地耦合效应对地铁车站抗震性能的影响规律。结果表明:在近断层区域,地铁车站结构震害具有典型的断层上盘效应和震害集中效应,更容易进入塑性变形发展阶段;在远断层区域,由于断层-场地效应耦合作用,断层下盘场地内地震波场衰减较缓,其内车站结构整体震害略大于断层上盘。本文研究方法为近断层场地条件下地下结构地震响应分析开辟新思路,也可为相关场地区域内的地下结构抗震设计提供技术参考。

平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群动力相互作用研究

该研究采用一种高精度间接边界元方法(indirect boundary element method, IBEM),研究了平面SV波入射下地上建筑群-地铁隧道群的动力相互作用问题。研究表明:“建筑群-隧道群”系统存在显著的动力相互作用,其规律与入射波性质、建筑物和隧道数量排布等因素密切相关。通过对比不同建筑物数量对隧道动力响应的影响,能够发现:低频波作用下,建筑物对下穿隧道的动力响应有放大作用,而高频波作用下则会削弱隧道的动力响应,最多可以降低37.5%左右。从频域分析中可以看出:隧道对地震波有较强的屏蔽作用,从而降低了其上建筑群的地震响应。建筑群的存在降低了各个单体建筑的动力响应,但在高频波作用时位于建筑群来波一侧的建筑会产生较大的动力响应。该研究成果可为城市建筑群-地铁隧道群的动力相互作用分析以及地上建筑和地铁隧道的抗震设计提供理论依据。

基于IBEM的水下双层圆柱壳声振性能研究

提出了一种基于间接边界元法的快速预报复杂双层壳水下振动及声辐射性能的数值计算方法。本文先是用间接边界元方法研究了单层圆柱壳的振动及声辐射,并与解析法及目前常用的数值算法结构有限元耦合结构有限元,与结构有限元耦合直接边界元方法进行对比验证了间接边界元方法的正确性,进一步推广到双层圆柱壳,并与解析法及试验进行了对照,说明了本文的计算方法可以很好地用于解决双层圆柱壳的振动及声辐射问题。最后,对不同数值算法的优缺点进行了对比分析,并给出解决实际工程问题的建议。

浅埋衬砌隧道-邻近建筑地震动力相互作用IBEM模拟

采用高精度间接边界元方法(IBEM)考察地震波入射下隧道-邻近建筑物二维地震动力相互作用的规律。结果表明:建筑物与邻近隧道存在着明显的相互作用,整体动力反应规律取决于隧道,建筑物之间的空间位置关系、隧道埋深、入射波的频率和角度等因素。隧道位于建筑物正下方时,刚性衬砌隧道(相对围岩)对上部结构主要表现为隔震效应;隧道位于建筑物两侧时,隧道对建筑顶部位移有明显放大效应,最大可放大约40%。同时隧道应力也明显增大,最大可放大约43%。因此实际中需根据隧道-建筑物的空间位置关系,适当调整衬砌隧道与沿线建筑物的抗震设防水平。

弹性波二维散射快速多极子间接边界元法求解

求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。

大型电力变压器的噪声预估研究

针对大型电力变压器的低噪声设计问题,提出了一种以改进变压器结构降低其噪声为目的的噪声预估方法。首先通过建立变压器整体结构有限元模型和振动谐响应分析,得到变压器油箱结构表面振动响应;基于间接边界元方法,通过建立变压器的声学数值分析模型,将变压器油箱表面振动响应导入到声学模型中作为边界条件,采用声学分析软件求解变压器整机辐射噪声,从而实现变压器的噪声预估。运用文中提出的方法,定量预估了某型变压器的场点噪声,并且与同工况下的实测噪声进行对比分析,验证了噪声预估方法的可行性和有效性。最后,采用该预估方法定量预估了变压器几种结构改进措施的降噪效果,为该型变压器的低噪声设计提供了结构改进依据,证明了改预估方法的实用性。

基于FEM/BEM的浸水结构振动及声辐射特性国内研究综述

文章基于有限元(FEM)或有限元结合边界元(FEM/BEM)分析方法,对浸水结构振动及声辐射特性国内公开发表的文献进行梳理,从低频流固耦合的振动特性、弱耦合与强耦合的声辐射特性、直/间接边界元的非唯一性与奇异性等着重流体数值模拟方面,对国内相关研究进行了综述分析,就浸水结构振动及声辐射特性的研究发展动态做出了总结,为相关科研人员研究浸水结构振动特性及声辐射提供了有益参考。

双吸离心泵正反转工况流致振动噪声研究

为深入了解双吸离心泵运行的振动噪声规律,以某一双吸式离心泵为研究对象,基于声学间接边界元法(IBEM),采用LMS Virtual-Lab分析计算平台,进行基于泵壳模态的强迫振动响应计算。然后根据泵壳模态强迫振动响应计算与声学间接边界元的声学波动方程求解耦合方程,得到双吸泵在液力透平工况和泵工况下外辐射声场的声压级指向分布和声压级分布。结果表明:偶极子声源是流体噪声的主要声源;在蜗壳隔舌处非定常脉动力是主要的噪声源;叶频及其倍频是双吸泵外辐射声场噪声的主要诱导频率;泵壳发生了共振,所以声振耦合的作用不可忽略。研究揭示了双吸泵作液力透平及泵工况内部流动诱发的外辐射声场的声振耦合计算规律,为后续减振降噪研究提供了理论基础。

空沟对层状饱和地基中列车移动荷载的隔振性能研究

基于Biot流体饱和多孔介质理论,建立含空沟层状饱和地基–轨道耦合动力系统,研究了空沟对移动列车荷载引起层状饱和地基振动的隔振问题。方法首先将系统分解为含空沟层状饱和地基和轨道两个子结构,然后采用2.5维间接边界元方法(IBEM)求解含空沟层状饱和地基在移动均布竖向线荷载作用下的动力响应,同时求解轨道在移动列车荷载和均布竖向线荷载共同作用下的动力响应,最后通过令轨道竖向位移与层状饱和地基表面轨道中心处竖向位移相等实现两者的耦合。文中通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均质饱和地基和饱和基岩上单一饱和土层地基为模型进行了数值计算分析,研究了饱和地基参数和隔振沟参数对隔振效果的影响。数值结果表明,层状饱和地基中空沟的隔振效果优于均质饱和地基中空沟的隔振效果;且饱和地基中空沟的隔振效果优于相应单相弹性地基中空沟的隔振效果;另外,空沟深度、饱和土孔隙率和基岩与饱和土层刚度比等也对空沟的隔振效果有着重要影响。