随机振动有限断层方法计算衡水市强地面运动参数

主要介绍了随机振动的有限断层模型在强地面运动研究中的应用,考虑V30（地下30m的平均剪切波速）对强地面运动结果的影响。以衡水为例,计算了6条周边断层设定地震在衡水市的峰值加速度、峰值速度和时程曲线。对衡水市区危害相对最小的是新河断裂和护驾池断裂,峰值加速度值在50~90cm/s2左右,峰值速度在10cm/s以下,对应到中国地震烈度表为Ⅵ~Ⅶ度;对衡水主城区危害最大的是衡水断裂,峰值加速度值在200~360cm/s2左右,峰值速度在30~45cm/s之间,对应的烈度值为Ⅷ~Ⅸ度。

基于频率响应分析的BCM支架随机振动疲劳寿命预测

针对某车型车身控制模块(BCM)支架的振动开裂问题,建立BCM支架有限元模型进行随机振动疲劳分析。分析结果与随机振动试验开裂位置吻合,验证了BCM支架随机振动分析的有效性。最后,对BCM支架进行了优化,效果良好。

BGA封装含气孔焊点随机振动可靠性的有限元分析

BGA封装器件焊接过程中由于温差、助焊剂等原因不可避免地会产生气孔,对机械冲击和随机振动条件下的可靠性产生影响。然而,物理试验难以获取随机振动中实时应力关系,也难以控制气孔分布及位置。本文基于有限元仿真技术,对不同位置的集中、离散式气孔的影响规律进行了分析。结果证明,相对于无气孔器件,含气孔器件的固有频率变化较小,且中部气孔可以降低最大应力,提高焊球抗冲击能力。但是顶端离散式或底端气孔会大幅提高应力水平,加大冲击失效的可能性。此外,气孔的引入会提高应变值,降低循环疲劳寿命,其中底端气孔、顶端弥散式气孔和中部集中式气孔所致隐患最大,最易失效。

随机振动载荷下塑封球栅阵列含铅焊点疲劳寿命模型

对塑封球栅阵列(PBGA)封装器件Sn37Pb焊点进行了正弦振动、随机振动实验,得到各个载荷下焊点的疲劳寿命结果。建立了三维有限元模型,进行与实验条件一致的有限元分析,计算焊点的应力;将实验结果与有限元计算相结合,并基于Steinberg寿命预测模型,发展了随机振动载荷下焊点疲劳寿命预测方法。结果表明,疲劳寿命模型预测结果与实验结果吻合较好,该方法可应用于PBGA封装焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命评估,为PBGA封装器件的设计与使用提供指导。

基于改进的随机有限断层模型进行区域烈度速报

一次地震发生之后,地震烈度的迅速圈定对于总体灾情评估、地震应急响应和救灾物资调拨分配等均有重要意义.近年来随着地震科学的发展,强地面运动数值模拟已经成为定量化估计强地面运动的重要手段.在众多震源数值模型中,随机有限断层模型以其时效性和精确性成为烈度速报的首选模型.在本研究中,我们对原有的随机有限断层模型进行改进,实现了峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和峰值位移(PGD)的区域网格化计算,并且加入了浅层速度结构V30对模型模拟结果的影响.在2004Parkfield MW6.0地震、2008年汶川MW7.9地震以及1976年唐山MW7.6地震的实例应用中,数值模拟得到的烈度分布与野外调查烈度在整体分布特征、极震区烈度分布等方面均符合较好,该数值模型单个网格点的计算时间在0.3～0.5s左右,并且随着并行计算技术的引入计算耗时会进一步缩短.随机有限断层模型有效弥补了其他震源数值模型的不足之处,最大限度做到了快速且准确,可以作为烈度速报的一种数值模拟手段.

基于有限断层模型和地震动衰减模型的地震烈度评估方法研究——以中国西部地区为例

破坏性地震因具有影响范围大、突发等特点,对社会经济影响大而受到广泛关注。地震烈度快速评估结果是各级政府和应急管理部门应急指挥和应急救援的重要依据,评估结果直接影响着地震应急指挥决策是否科学高效。评估的时效性和精度是地震烈度快速评估结果的两个重要评判依据(王德才,2013),如何快速、准确进行地震烈度评估显得尤为重要。

橡胶O形圈密封结构老化状态的随机振动分析

为研究橡胶密封结构老化状态的无损、在线、定量检测方法,基于有限元法建立橡胶O形圈密封结构的有限元模型,使用输入材料参数的方式达到了等效模型不同老化状态的目的,通过模态分析总结固有频率与老化状态间的变化规律,采用脉冲激励试验证明有限元模型的正确性。随后,基于模态分析完成了压缩率为14.3%的随机振动分析,总结了响应功率谱与老化状态间的变化规律。研究结果表明:建立的有限元模型能揭示结构老化状态响应特性的变化情况,为研究其老化状态的无损、在线、定量检测方法提供了先验性知识。

活动断层作用下管土有限单元模型研究

为研究断层作用下埋地管道的力学状态,基于管土相互作用理论,采用固定边界壳单元模型、管壳耦合模型、等效弹簧边界模型、管单元模型4种管土作用模型,对比分析管道穿越断层计算效果。结果表明:4种模型得到的计算应变趋势基本一致,其中固定边界壳单元模型、管壳耦合模型、等效弹簧边界模型结果基本吻合,计算应变大于管单元模型。同时,4种模型均得出管道与走滑断层交叉角不宜为90°。在此基础上,提出有限单元适用的断层工况,并给出相关应用建议。

列车-轨道-地基土耦合系统三维随机振动的多GPU并行计算方法

针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GPU上,采用基于CUDA的预处理共轭梯度法(PCG)并行求解对称正定的等效静力平衡方程。针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(CSR)格式存储大型稀疏矩阵以节省内存空间。最终通过MATLAB-CUDA混合平台开发并行计算程序,解决了随机振动分析中多个线性方程组串行求解效率低的难题。数值算例表明,基于四GPU节点的多GPU并行算法和单GPU加速PCG算法的计算效率是串行多点同步算法(MPSA)计算效率的22.59倍和3.75倍。

基于随机有限断层模型的中国北京延怀地区1720年沙城地震(M S7.0)强震动的三维有限差分模拟

通过三维有限差分法(3D-FD)、随机有限断层模型模拟了中国北京延怀地区1720年沙城地震(M S7.0)地震波传播,并用超级计算机Hitachi-SR8000计算模拟结果(http://www.Irz-muenchen.de)。本文将随机有限断层模型应用到三维有限差分法分析中。随机有限断层的基本思想是将断层平面分为数个子断层(或单元、子源)。大地震产生的能量是由子断层经过合适时间延迟然后叠加而成,每个子断层都以独立的双力偶点源运动。本研究中,断层破裂的非均匀性通过随机震源初始破裂位置、滑移向量、子断层上升时间来刻画。基于可利用的地理和地球物理信息,建立了延怀地区的三维速度模型。该3D-FD模型使用75m的网格增量,这样就能捕捉到沉积地层中低至0.5s的短周期信息。同时,本文用这个各向同性的3D模型研究了随机有限差分法模拟结果的不确定性。我们发现随机震源对地震动的影响只会局限在近断层区域(包括地表出露断层和其周边断层),占整个研究区域的5%。总的来说,本文提出一种工程实用的基于3D-FD来模拟强地面运动的综合方法。这种方法对于模拟灾害绘图、土地利用规划、风险评估都是有用的,特别是对于那些必须基于历史地震诱发的真实情况来确定的地震应急响应的计划、准备和协调方面帮助更大。

电子设备机柜随机振动试验的数值模拟

根据电子设备机械结构随机振动试验的标准和要求,采用有限元分析软件ANSYS建立电子设备机柜结构的有限元模型,通过加载求解对其进行随机振动试验的数值模拟,得到机柜有限元模型的三维变形和应力等值线图,进而确定机柜承受应力和变形的最大值及发生概率;通过对频率响应曲线的进一步分析,可以直观明了地反映出机柜承受一定频率范围地震下的变形情况。模拟结果表明,该试验结果贴近实际,为电子设备机柜的抗震、隔振设计提供了一个有效的工具,促进了机柜结构的动态优化设计。

海底地震有限断层破裂模型对近场海啸数值预报的影响

快速准确的海啸源模型是近场海啸精确预警的关键.尽管目前还没有办法直接对其进行正演定量计算,但是可以通过多源地震、海啸观测数据进行反演或联合反演推算.不同的海啸源可能导致不同的预警结论,了解不同类型海啸源适用性、评估海啸源特征差异对近场海啸的影响,无论对于海啸预警还是海啸模拟研究尤为重要.本文评估分析了6种不同同震断层模型对2011年3月11日日本东北地震海啸近场数值预报的影响,重点对比分析了有限断层模型与均一滑动场模型对近场海啸产生、传播、淹没特征的影响及各自的误差.研究表明:近场海啸波能量分布主要取决于海啸源分布特征,特别是走向角的差异对海啸能量分布影响较大;有限断层模型对海啸灾害最为严重的39°N以南沿岸地区的最大海啸爬坡高度明显优于均一滑动场模型结果;综合对比DART浮标、GPS浮标及近岸潮位站共32个站次的海啸波幅序列结果发现有限断层模型整体平均绝对/相对误差比均一滑动场模型平均误差要低,其中Fujii海啸源的平均绝对/相对误差最小,分别是0.56m和26.71%.UCSB海啸源的平均绝对/相对误差次之.3个均一滑动场模型中USGSCMT海啸源模拟精度最高.相对于深海、浅海观测站,有限断层模型比均一滑动场模型对近岸观测站计算精度更高.海啸源误差具有显著的方向性,可能与反演所采用的波形数据的代表性有关;谱分析结果表明Fujii海啸源对在12至60min主频波谱的模拟要优于UCSB海啸源.海啸源中很难真实反映海底地震破裂过程,然而通过联合反演海啸波形数据推算海啸源的方法可以快速确定海啸源,并且最大限度的降低地震破裂过程与海啸产生的不确定性带来的误差.

利用海啸数值模拟结果进行海底地震有限断层模型验证

基于地震有限断层模型进行海啸的数值模拟通常被用来估计海啸的到时、波高等,另一方面,海啸数值模拟的结果也可以作为限定条件用来考察同一地震的不同断层模型之间的相对合理性。采用国际上各地震研究机构在震后各自得出的不同的有限断层模型作为海啸源,使用基于二维浅水波方程的海啸传播模型对2011年日本东北地震海啸的传播过程进行模拟,以海啸模拟所得到的沿岸浪高分布、平均波高、最大波高等与实际观测值相比较,进而判断由各有限断层模型所计算得到的海啸中哪个结果与实际的海啸情况更为符合,由此推断断层模型的相对合理性。

随机有限断层法合成地震动的研究与应用

目前很多研究者采用随机有限断层模型预测地震动并被证明是可行的。本文运用随机有限断层地震动叠加合成方法,模拟了1988年肃南5.7级地震,与实际记录进行对比分析,发现:用有限断层方法模拟得到的峰值加速度以及峰值加速度出现所对应的特征时刻与真实记录较为吻合;比较模拟的地震动反应谱和实际记录的加速度反应谱,总体上在工程感兴趣的频段内,有限断层方法拟合的结果基本能满足实际工作的需要。为进一步开拓该方法在工程应用中的前景,以兰州市柴家峡水电站为例,将此理论方法应用于缺乏强震记录地区的近场地震动估计中,模拟分析了马衔山北缘活动断裂发震时在坝址区产生的地震动特征,其近场合成结果与1125年兰州7.0级地震的烈度分布符合较好,可供工程抗震设计参考使用。

川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.

共轭断层系统的非线性有限元模拟与震群模型讨论

采用断层摩擦接触的非线性有限元模拟方法,对单断层与交叉断层2种断层模型分别进行数值模拟计算对比,结合中国大陆双震或震群型地震孕育发生的构造条件对共轭断层系统的孕震与发震机理进行了讨论与分析。断面滑动摩擦机制较好地解释了共轭断层由闭锁状态进入发生地震的滑动状态的过程,共轭断层系统会交替地发生失稳事件,验证了2组共轭断层系统构成的地震模型的滑动习性。其数值模拟与讨论分析结果可为共轭断层发育区的地震监测预报提供科学依据。

基于断层相互作用的地震活动有限元模型

基于断层相互作用 ,初步建立了西南地区有限元动力学模型 ,讨论了由于地震发生产生的应力变化对西南地区整个系统的应力调整情况。初步结果表明 ,许多强震均发生在应力增强区。因此 ,本模型对判断未来强震危险区有一定的意义。

用于电阻抗断层成像的脑部三层有限元模型构建与仿真

在电阻抗断层成像技术研究过程中,人体准确模型的构建和仿真对分析各种生理病理因素影响,评估成像算法质量等具有重要的价值。目前大多数电阻抗成像模型和仿真都采用二维简单模型,难以完成一些三维因素的准确仿真和研究。针对这一问题,本文提出了一种用于电阻抗断层成像的脑部三层有限元模型构建与仿真方法。首先,通过COMSOL建立脑部有限元仿真模型,然后联合运用MATLAB和COMSOL实现电阻抗断层成像的仿真。仿真结果表明,本文方法可以快速实现复杂模型的构建和仿真,该模型将来可用于脑部成像的研究。

基于分割后断层成像数据的人体头部有限元模型构建方法

目的基于分割后的断层成像数据构建人体头部的有限元模型。方法采用四步剖分法得到初始网格并用最长边繁衍路径(longest edge propagation path)与棱边收缩(edge collapse)的方法进行网格的细分与优化。在通过该方法得到的三层球与真实头模型上分别进行脑电正问题的仿真计算。结果结果显示在此模型基础上进行有限元计算的合理性与可靠性。结论采用该方法生成的人体头部有限元模型可包含多层组织,并能应用于基于有限元方法的生物力学、生物电磁学领域的各种科学计算。

逆冲断层错动形成变形场及应力场的有限元模型——以映秀-青川断层为例

为了研究逆断层受到垂直于断层走向的应力作用下发生逆冲构造运动时造成的变形以及相应的应力场分布,以龙门山中央断层映秀—青川段为例建立了逆冲断层的有限元模型。该模型为单个逆冲断层有限元模型,计算了汶川地震过程中龙门山中央断层逆冲错动引起的地表变形场和断层附近应力场的变化。模拟中对断层面采用的是摩擦接触单元,且断层面设为曲面的几何形状;模拟给出断层错动形成的地表沿垂直走向和垂直地表的变形以及相应的应力分量场的变化情况。为得到计算模型边界处的应力值,采用了断层静态位错模型进行计算。结果发现,在不施加沿断层走向的载荷时,沿断层走向上存在变形,这可能是断层在受到挤压后发生的横向变形,但该变形较小;逆冲断层构造运动引起沿垂直断层走向方向上的变形并不是在近断层处达到最大,而是沿垂直地表向上的变形在断层处达到最大;逆冲断层在挤压构造应力下的变形要大于逆冲构造附近的隆升变形,同时断层面上的挤压应力大于垂直地表方向的应力;断层面上的应力场沿断层面的变化主要集中在断层面倾角发生变化以及震源区域附近。