高速移动荷载下黏弹性半空间体的动力响应

分别以移动荷载和黏弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基,分析了地基在运动列车作用下的动力响应.首先采用Green函数法求解黏弹性半空间体在各种移动荷载模式作用下的动力响应的解析解,包括恒常和简谐移动点源、线源和面源荷载.然后采用IFFT算法和自适应数值积分算法计算解析解中的二维积分,得到了包括低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下位移的数值结果.最后分析了速度对位移的分布和最大值的影响,发现当速度大于Rayleigh波速时,位移发生显著变化.     

无限弹性土体中洞室在反平面冲击荷载作用下的瞬态响应

为了探讨无限弹性土体内圆柱形洞室在突加反平面冲击荷载作用下的瞬态响应,利用Laplace变换及围道积分逆变换,得到土体位移和应力的一般解析表达式,并给出了数值解。在时域内分析了无限弹性土体内圆柱形孔洞在轴向荷载作用下的动力响应,并将计算结果与采用拉普拉斯数值反变换得到的结果以及静力情况下的结果作了比较。研究结果显示:波到达后,该点土体的应力和位移均瞬间增大,随后慢慢减小,并逐渐趋于静力值;波向外发散传播,并沿半径方向衰减,衰减速度比静力情况的应力衰减慢。     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

内源瞬态荷载作用下弹性介质与饱和多孔介质中衬砌隧道的动力响应对比分析

衬砌隧道周围介质不同，其内源瞬态荷载作用下的动力响应不同，该文对弹性介质与饱和多孔介质中作用有内源荷载的衬砌隧道的动力响应进行对比分析。首先，令饱和多孔介质孔隙率n=0，将衬砌周围饱和介质退化为弹性介质，动力响应解答相应退化为弹性介质中的解答，退化解与已有的隧道周围为弹性介质时的动力响应解答完全一致。其次，对不同孔隙率的饱和多孔介质和理想弹性介质中衬砌隧道的动力响应进行计算，结果表明：与弹性介质相比，饱和多孔介质中衬砌内表面的动力响应较大，轴向衰减速度较快；随着孔隙率的减小，饱和土中衬砌内表面的动力响应逐渐减小，位移和应力时程曲线均趋近于弹性介质。     

移动荷载下单相弹性地基三维稳态响应

针对移动荷载对地基产生振动影响的问题,研究了移动荷载作用下弹性地基的动力响应。将移动单元法引入到单相弹性土介质的半解析方法中,构造了随荷载按照相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下弹性土介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了在移动荷载下单相弹性地基的三维动态响应半解析方程,将固定坐标下的动力问题转化为移动坐标下的拟静力问题。数值分析了荷载移动速度、地基阻尼等参数对地基动力响应的影响。本文工作表明,在半解析法中引入移动单元是研究移动荷载下单相介质动态响应的一种有效的方法。     

考虑土体三维波动效应时弹性支承桩的振动理论及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对弹性支承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土层的振动模态形式,然后利用桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到了桩顶的频域响应解析解、复刚度和速度导纳,利用卷积定理和傅立叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。利用所得解对桩的振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

简谐移动荷载下单相弹性地基三维动力半解析移动单元分析

由于路面不平整,车辆会以一定的频率和振幅在路面上运动,研究简谐移动荷载作用下单相弹性地基的动态响应具有更加现实的意义。将移动单元法引入到单相弹性介质的半解析方法中,构造了随荷载以相同速度运动的移动层单元。基于移动坐标下单相弹性介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了简谐移动荷载下单相弹性介质的三维动态响应半解析方程;将固定坐标下的动力问题转化为移动坐标下的拟静力问题,数值分析了简谐移动荷载作用下单相弹性地基的动态响应及其参数的影响。计算结果表明:在简谐移动荷载作用下,当无阻尼或小阻尼时,位移幅值随着速度变化不是单调递增或递减。当速度在瑞利波波速附近时,会出现各位移幅值的极大值(或第一极大值);当阻尼较大时,位移随着速度增加变化缓慢。这说明阻尼和频率的共同作用会有效地抑制位移幅值响应。研究结果表明本文所提供半解析移动单元法是研究简谐移动荷载下介质动态响应的一种简单有效的方法。     

移动荷载下上覆弹性板饱和地基的动力响应

用半解析法对移动条形荷载作用下上覆弹性板饱和两相弹性介质的动力响应问题进行了研究。由忽略土粒压缩和土体自重的Biot波动方程出发,对荷载进行Fourier展开。假设响应函数形式,利用待定系数法求解了考虑固液耦合作用的两相介质在移动荷载作用下的土体位移,有效应力及孔压表达式。求解过程中考虑了土体和弹性板之间的相互作用,并假设土体与弹性板的竖向位移相等。通过计算给出了各参数对土体位移和孔压响应和的影响。数值结果表明弹性梁刚度对位移和孔压响应有较大影响。     

内部荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答

考虑土与衬砌结构的动力相互作用,本文研究了内源荷载作用下,圆柱形孔洞的动力响应问题.将土体和衬砌结构视为弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到土体及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,可确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了土中圆形衬砌结构的动力响应随土体和衬砌结构参数的变化规律.     

基于声涡转化对穿孔板切向流效应的研究

建立了一种有关切向流对小孔声阻抗影响的小扰动势流模型,其要点是使用法向质点速度连续而非广为采用的质点位移连续边界条件来匹配小孔剪切层两侧的声场,并在小孔前缘施加 Kutta条件以反映切向流效应的机理——锐缘处的声涡转化;模型中还考虑了实际应用中经常遇到的小孔形状和穿孔板厚度两个重要因素.理论预测的声阻和声抗与实验结果吻合良好.     

Nonaxisymmetric interaction of a spherical radiator in a fluid-filled permeable borehole

The Biot theory of poroelasticity along with the proper cylindrical/spherical wave-field transformations are used to investigate general (nonaxisymmetric) harmonic radiation from a spherical surface vibrating at the center of a fluid-filled circular cylindrical cavity embedded within a fluid-saturated porous elastic formation. This configuration, which is a realistic idealization of an acoustic logging tool suspended in a fluid-filled borehole, is of practical importance with a multitude of possible applications in seismic engineering and geophysics. The analytical results are illustrated with numerical examples in which the spherical source suspended at the center of a water-filled borehole embedded within water-saturated soils of distinct frame properties (i.e., soft or stiff soils), is excited in vibrational modes of various orders. The basic acoustic and elastic field quantities such as the resistive/reactive components of the modal acoustic radiation impedance load as well as the radial displacement and stress components induced within the surrounding formation for a pulsating (n = 0), an oscillating (n = 1), and a quadrupole-like (n = 2) spherical source are evaluated and discussed for representative values of the parameters characterizing the system. Special attention is paid to the effects of source excitation frequency, size, surface velocity profile, and internal impedance as well as soil type on the modal impedance values and the displacement/stress amplitudes. Limiting cases are considered and fair agreements with well-known solutions are obtained.     

Transient response of a moving spherical shell in an acoustic medium

A ring-stiffened spherical shell is submerged in an acoustic medium. The shell is thin and elastic. The acoustic medium is inviscid, irrotational and compressible. The center of mass of the shell is subjected to a translational acceleration which is an arbitrary function of time. The absolute displacements of the shell are expressed in terms of the relative displacements and the displacement of the base of the shell, base being defined as the rigid ring placed at the equator. The motion of the acoustic medium is governed by the wave equation. The transient response of the shell is investigated numerically. The results are compared with the results of the in-vacuo response. The effects of the plane wave approximation and the base velocity on the transient response of the shell are studied. The numerical results show that the plane wave approximation accurately predicts the response of the shell in the acoustic medium for short times after excitation. The displacements of the shell in fluid are larger than those in vacuo. But when the base of the shell is restrained from translating, the displacements in fluid are smaller than those in vacuo. Therefore, base translation has a very significant effect on the transient response of the shells submerged in an acoustic medium.     

高拱坝动力特性与动力响应模型试验研究

高拱坝的动力破坏特性越来越受到关注,动力特性和动力响应是其研究的一个重要方面。通过模型试验的方法研究高拱坝动力特性和动力响应的特征,动力特性试验比较了完好结构与有施工横缝结构的基阶动力特性,表明当结构存在施工横缝时,结构基阶频率降低,阻尼增大。结构动力响应采用振动台模拟地震波激励,试验结果表明,完整结构与有施工缝结构动力响应具体数据不同,但规律相同。加速度最大响应沿拱顶水平向在坝中拱顶的值最大,向两边的坝肩处,加速度最大响应逐渐减小。沿拱坝垂向加速度最大响应从坝顶到基础,响应均逐渐减小。试验结果可为高拱坝结构动力安全研究提供技术依据。     

Spline function approximation in discrete mechanics

It is shown that the fundamental equations in discrete mechanics are consistency relations for a parametric spline function approximation. The formula which relates displacement and acceleration is of O((Δt)² and unconditionally stable in the sense of Dahlquist. This method is equivalent to two first order difference equations which relate velocity and acceleration, and displacement and velocity.     

爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明:冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

Generalized Fourier transforms for the acoustic pressure and velocity in compressible dissipative stratified media

Generalized Fourier transforms are derived for the acoustic pressure and velocity in compressible dissipative plane stratified media. The acoustic source terms are accounted for in the equations of continuity and force. The acoustic pressure and velocity are each expressed as sums of two infinite (branch cut) integrals and a discrete term. In the far field the infinite integrals correspond to the direct and specularly reflected waves and the lateral wave. The discrete term associated with the pole of the reflection coefficient is the surface wave. The transforms provide a suitable basis for the expansion of the acoustic pressure and the velocity when the height of the interface, the adiabatic bulk modulus, the equilibrium density, and the absorption of the medium vary. Both exact boundary conditions and the approximate impedance boundary condition are considered in this work.     

变截面阻抗桩纵向振动问题积分变换解

利用拉普拉斯（Laplace)变换,将变截面阻抗桩振动的时域定解问题转换到频域的形式,求得了关于桩顶位移响应及速度响应的传递函数,然后利用求留数的方法求得了桩土系统的脉冲响应函数,利用脉冲响应函数求得了多种不同激振波形条件下（稳态正弦激励,瞬态半正弦激振及叠加有高频干扰波的瞬态半正弦激振等）的桩顶速度响应的表达式,并对桩土系统的频域特性作了深入的研究,得到了许多重要的结论。此外还将稳态正弦激振、态半正弦激振条件下的解与有关文献所采用分离变量法得到的解进行了对比,为两者的正确性提供了重要的证明。     

冲击载荷下轻质夹芯拱最大刚度拓扑优化及动力响应

基于双向渐进结构优化方法（bi-directional evolutionary structural optimization,BESO）框架,将传统动态载荷优化法中的内外层迭代引入到ABAQUS-MATLAB平台集成优化中,改进动态载荷拓扑优化流程。对初速度为100 m/s的子弹冲击下的夹芯拱结构进行拓扑优化设计和动力学响应分析。优化后夹芯拱芯层的变形模式可分为3个对称的部分,跨中区域的中部和上部主要发生压缩变形,呈现类三角点阵桁架结构,边界区域上部发生拉伸变形,下部发生压缩变形,呈现C形型结构,跨中和边界之间的过渡区域以拉弯联合变形为主,呈现Y形结构。通过与两种等质量的拱结构对比,分析了3种结构在不同初速度的子弹冲击下结构的挠度以及芯层的能量吸收情况。结果表明:在相同的冲击速度下,优化后的结构挠度最小,芯层比吸能最高;当冲击速度较低时,优化后的结构的抗冲击性能优势并不明显;在所研究的冲击速度范围内,冲击速度越高,优化后结构的抗冲击性能越好。对比对称载荷与非对称载荷（冲击点偏移量为100%）下2种优化结构在不同载荷工况下的动态响应,结果表明:载荷工况不同,得到的最终优化结果也略有所不同,但在相同载荷下结构的响应相差较小,每种工况下得到的优化结果在相应工况下所展现的力学性能略优,但均明显优于传统结构。因此,在对称冲击载荷下优化所得的结构具有一定的普遍性。     

Increase of initial velocity and pressure upon impact on an inhomogeneous target

It is proved on the basis of an analysis conducted by means of the method of (p, u)-diagrams in an acoustic approximation that the mass velocity of the material of a target increases when a shock wave propagates along a target in which the acoustic resistance of the layers decreases in the direction of propagation, and it can even exceed the initial velocity of the striker. An increase in pressure behind the wave front similar to the example of unbounded accumulation in a plane shock wave considered in [2] is observed when a striker impacts on a target in which the acoustic impedance of the layers increases in the direction of propagation of the shock wave. The increase in velocity is experimentially verified.