基于ANSYS平台的阻尼溶剂抽取法及其工程应用

阻尼溶剂抽取法通过虚加人工高阻尼再移频抽取的方式考虑无限地基辐射阻尼影响,可有效模拟非均质无限域的动力特性,且能实现时频变换的完全解耦,故推进该方法的工程应用具有实用价值。该文基于ANSYS平台,以UPFs为二次开发工具,在通用有限元软件中嵌入了阻尼溶剂抽取法的时域地基模型。推导了一种交界面空间耦联单元,用于考虑在结构侧交界面迭加地基高阻尼的影响,并建立Fortran外部接口进行交界面相互作用力的求解,从而形成动力求解的整体系统。最后,通过数值算例验证了计算模型的可靠性和良好的适用性,进而结合通用有限元软件丰富的结构单元模型及非线性分析能力,可开展各类复杂结构的动力相互作用分析。

求解非均匀无限地基相互作用力的有限元时域阻尼抽取法

由于无限地基的动力效应较难确定,结构-地基的动力相互作用主要局限于频域分析,从而限制了非线性分析应用。阻尼抽取法(DSEM)通过在有限域内施以附加人工阻尼再移频抽取的办法可以有效地模拟非均匀无限粘弹性介质的动力特性,在结构-无限地基动力相互作用分析中有较好的应用前景。在此基础上,本文提出了DSEM进行结构-地基交界面相互作用力-位移时域分析的有限元逐步积分形式算法,并给出了具体实现公式,可以更好地适应工程有限元计算及与结构-地基相互作用程序结合的需要。最后,以实例形式论述了该方法良好的精度及实现中各个关键因素的影响。

结构-地基动力相互作用时域数值分析的显-隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上,提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法,分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解,而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分,具有相同的运动量数值积分假定,可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下,分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高,可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究,可为具体计算中的参数选择提供依据。

应用无限地基方法研究打桩振动对海堤的影响

采用阻尼抽取法研究了无限地基法结构动力相互作用并分析打桩对海堤的影响。在原方法的基础上,本文提出采用较小的有限区域并在界面处附加弹簧和阻尼的方式来考虑无限地基法的影响。随后给出了适合于打桩激励参数的确定方法。最后,采用本文方法进行了工程实例计算,结果表明,本文方法实用可靠,不仅可以提高动力仿真的精度,而且可以降低计算量。

无限地基-结构动力相互作用分析的分区递归时域算法研究

基于阻尼抽取法,针对结构-无限地基动力相互作用时域分析提出了一种新的分区递归数值求解算法,包括逐步积分形式的地基作用力计算公式及动力相互作用分析中,基于子结构法的具体数值实现过程。该算法隐式地满足了无限介质辐射条件,可方便地确定地基作用力与交界面位置变位的关系,消除了无限地基动刚度时域算法中的频率相关性及褶积分,此外,时域子结构方式的求解可以方便地考虑结构部分的非线性力学特征。以实例的形式说明了该方法良好的精度与应用的简便性。

空间结构-地基动力相互作用数值分析时域算法研究

对于大型结构地震响应分析,结构-无限地基耦合系统动力分析的数值实现,往往由于有限元网格过多,以及地基无限域时域计算模型中存在的复杂卷积运算,严重限制了求解规模.为解决此问题,提出了基于阻尼溶剂抽取法的三维结构-地基相互作用分析的分区时域逐步求解模型.并针对三维大规模工程问题的数值求解,在积分算法及矩阵存储格式等方面,结合阻尼溶剂抽取法的特点进行了详细的探讨,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化.以三维全空间球形空腔动力变形及大岗山拱坝的地震响应分析为例,针对上述数值实现算法进行了具体验证,并就不同的地基弹模及地震波输入方式对坝体响应的影响进行了探讨.计算结果表明,地基辐射阻尼以及河谷散射效应对结构的动力响应有很大影响,而该模型表现出了良好的精度和计算效率.

无限介质中波动散射问题时域求解的算法研究

基于阻尼抽取法,推导了针对无限空间波动散射问题的分区递归时域分析算法,隐式满足了无限介质辐射条件,消除了无限地基动刚度时域算法中的频率相关性及褶积分。该方法可以方便地反映周围无限域动力特性的影响及适应散射场表面几何结构复杂多变的情况,而且物理意义明确,简便可行。通过对均匀无限介质中SV波水平入射圆柱形孔洞时边界散射场运动的计算分析,并将结果与解析解和较成熟的Cloning单元法进行比较,证明了无限域在散射场运动中的重要影响及该方法良好的精度。

无限地基相互作用力时域求解的阻尼溶剂逐步抽取法

无限地基相互作用力时域求解的精度及效率是面向实际工程结构动力分析的关键问题。基于阻尼抽取法模拟地基无限域动力特性的思想,从数值实现中的误差源出发,提出了一种施加较大附加人工阻尼再分步依次移频抽取的阻尼溶剂逐步抽取法,并给出了具体实现公式。该方法可以最大限度地消除反射波波动能量及抽取人工高阻尼的影响,提高了算法的精度,降低了人工高阻尼与地基区域大小的相互制约性,并能适应地基有限区域表面几何结构复杂多变的情况,具有较高的工程实用价值。最后,通过对典型三维半无限空间问题的动力反应分析,将计算结果与精确解,阻尼抽取法模型和粘弹性人工边界模型进行对比研究,证明了该方法具有良好的精度和计算效率,并对不规则地基有限域模型进行分析,验证其良好的工程适用性。

DSEM时域数值模型求解关键影响因素分析

人工材料阻尼系数与有限区域尺寸对以阻尼溶剂抽取法(DSEM)为基础的动力结构-地基相互作用分析的效率与精度影响显著.为研究这种影响,以弹性地基上半无限杆的波动理论为基础,在频域中推导了人工高阻尼条件下谐波幅值衰减的解析表达,进而结合对杆端交界面力的时域数值分析,给出了适于工程应用的关键因素参考取值.提出了基于加速度求解的DSEM隐式积分算法,克服了原位移求解模式中存在的结构-地基交界面显隐式积分步长协调性的问题,可方便地与结构侧的动力响应分析相结合.数值算例表明该算法具有良好的稳定性和计算效率,亦验证了关键因素参考取值的有效性.

基于DSEM的核电厂结构-土-结构相互作用模型

核电厂结构的抗震能力是保障安全的重要内容,而考虑结构-土-结构相互作用(SSSI)的影响效应是必要的且意义重大。本文以阻尼溶剂抽取法(DSEM)为理论基础,考虑相邻工程结构与无限土体的动力特性,利用位移协调与力平衡机制,建立了相邻结构-土体相互作用计算模型,给出了具体数值实现公式,并通过UPFs二次开发功能在通用有限元程序ANSYS中实现该模型的嵌入。进而,以国内某核电工程为例,建立一系列SSSI系统的三维模型,并就不同的地基条件、埋置效应对核电厂反应堆SSSI规律的影响进行探讨,结果可为类似核电厂址地基的抗震适应性分析及优化设计提供借鉴与参考。

考虑结构—地基交互作用的重力坝深层抗滑动力稳定性研究

我国大坝多建于高地震区域的中西部地区,对其进行抗震分析十分必要。文章以重力坝为研究对象,考虑到坝基岩体多存在软弱结构面和缓倾角裂隙等,着重研究地震作用时的重力坝深层抗滑稳定性。为了反映无限地基对结构的影响,文章采用在结构-地基交界面处附加弹簧和阻尼的方式进行处理,其中,在确定弹簧刚度和阻尼参数时采用了阻尼抽取法。这样处理就可以采用较小的计算区域,不仅可以降低动力分析的计算量,而且计算精度也得以提高。

考虑SSI效应的核电厂房地基抗震适应性分析模型及应用

通过有限元框架内的阻尼溶剂抽取法(DSEM),考虑无限地基辐射阻尼影响,并结合交界面相互作用力平衡机制及位移协调实现核电厂房与无限地基子结构的耦合,从而建立核电厂房地基抗震适应性分析时域模型。为提高其实用性,基于ANSYS平台,运用二次开发工具UPFs、APDL及UIDL,实现了DSEM关键技术、分析流程控制以及可视化操作,再通用有限元软件嵌入了所开发模型。通过数值算例分析了不同频率简谐波对精度与效率的影响,提出了适用工程应用的参数范围。最后开展了某百万千瓦级压水堆厂房地基抗震适应性分析,计算结果表现出良好的可靠性和工程实用性。

考虑结构-地基-结构相互作用的核电厂结构地震响应分析

在实际核电厂项目中不同厂房在同一场地的现象非常普遍,因此对核电工程进行结构-地基-结构相互作用(SSSI)的研究是保证其安全的重要方面。该文首先从阻尼溶剂抽取法(DSEM)基本原理出发,推导出考虑相邻结构动力相互作用的结构-地基-结构交界面相互作用力,并运用UPFs二次开发工具,将SSSI时域分析模型嵌入到有限软件ANSYS中。最后,以工程实际为例,对反应堆厂房典型节点的楼层反应谱、加速度时程、位移时程以及沿高程的最大加速度变化曲线进行探讨。结果可为类似核电结构的抗震评估及优化设计提供依据。

考虑结构—土—结构动力相互作用的重力坝地震响应分析

为研究地震作用下相邻新、老重力坝的彼此相互作用对响应的影响规律,基于阻尼溶剂抽取法(Damping Solvent Extraction Method,简称DSEM)模拟无限地基辐射阻尼效应的思想,建立了新坝—土—老坝动力相互作用模型,并推导了具体的数值实现公式。进而运用UPFs的二次开发特点,通过创建用户单元在ANSYS中实现了所开发模型的嵌入。最后,结合工程实际条件,探讨了地震作用下老坝拆除前后对新建重力坝动力响应的影响规律。计算结果表明:老坝的存在降低了新坝在地震动作用下的动水压力的大小,在老坝拆除前后对新坝的动力特性分布规律影响较小,而对于幅值有一定的影响。本模型表现出了良好的工程适用性,结合通用有限元软件丰富的结构单元模型及非线性分析能力可开展类似工程的抗震安全评价分析。

复杂非均质场地条件下核岛厂房结构地震响应分析研究

考虑结构-地基动力相互作用是各国核电抗震规范的一致要求,其中,非均质地基动力特性的合理模拟是当前重要的关注之一。提出基于施加高阻尼并逐步移频抽取思想的阻尼溶剂逐步抽取法,最大限度地降低了阻尼溶剂抽取法数值实现中人工高阻尼与地基区域大小的相互制约性,进而耦合上部核岛厂房子结构,在有限元框架内建立了复杂非均质场地条件下核岛厂房结构地震响应分析模型,并给出了具体的实现公式,以便在通用有限元程序中的开发。以三维半无限空间方形地基以及非均匀分层地基的动力分析为例,针对上述计算模型进行具体验证,并就地基局部非均质对核岛厂房结构响应的影响进行探讨。计算结果表明,实测地基中所含捕虏体对核岛厂房结构的地震响应影响较小,而该模型表现出良好的精度和计算效率,以及更好地适用于地基非均质性以及表面几何结构复杂多变的情况。

基于DSSEM的核电厂房结构楼层反应谱分析

核电厂房的楼层反应谱在地基适应性分析以及设备的抗震设计中具有重要的意义,伴随着我国核电厂址条件的日趋复杂化,合理有效的无限地基模型成为需要解决的关键技术问题。为解决此问题,发展了基于阻尼溶剂逐步抽取法无限地基时域模型,进而耦合核电厂厂房结构,在有限元框架内建立了适用于非均质场地条件的核岛厂房-地基动力相互作用分析模型,并给出了该模型在通用有限元软件ANSYS嵌入的开发流程,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化。以三维全空间中的球形空腔动力变形为例,针对上述开发模型进行了验证,并就不同无限地基模型对核电厂楼层加速度反应谱的影响进行了探讨。计算结果表明,该模型在求解复杂非均质地基条件下的核岛-地基相互作用问题具有良好的可靠性和工程适用性。