孔隙率各向异性下饱和多孔弹性地基动力响应

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.      

地震作用下水库坝体与水体相互作用数值模拟

地震作用下水库坝体受迫振动,推动坝后水体波动,造成水体动压作用于坝体,形成坝-水耦合作用,影响坝体安全.为了评估坝体振动引起的水面波动及坝体所受动水荷载作用,建立坝体动边界条件下的不可压水体运动数学模型,模拟了地震波作用下的坝后水体波动和动力荷载.结果 表明,在忽略坝体自身弹性变形的条件下,地震作用下坝体激发的水体表面...     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

高拱坝气幕隔震的动力模型试验

为了研究高拱坝的气幕隔震效果,基于动力相似准则,设计了坝体-坝基-气幕-库水三相耦合系统的动力试验模型。其中,坝体材料采用河沙、重晶石粉、铁粉、松香、酒精调制而成,坝基材料采用膨胀珍珠岩和石膏调制的轻质材料,气幕厚度为1cm,均匀地覆盖在坝体上游面,气室壁材料选用ABS工程塑料。基于该模型,完成了两种实测地震波不同峰值加速度共计12个工况的大型振动台试验。试验结果表明:气幕使动水压力显著降低,坝体加速度也相应减小;靠近坝底的测点动水压力削减达70%以上,坝顶加速度减小约20%。因此,气幕可提高坝体的抗震性能。     

大型渡槽动力设计方法研究

根据大型渡槽结构的特点,在缺乏适用的抗震分析模型前提下,提出支撑-渡槽-水伪三维流固耦合动力分析方法。模型基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,整体结构分析采用Newmark方法进行动力时程分析,分析中考虑渡槽结构整体受力性能,包括下部支撑结构、地基等多种因素的影响作用;渡槽-水耦合体子结构分析采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)有限元方法进行动力分析,考虑渡槽-水的耦合相互作用,模拟渡槽中水体的大幅晃动作用,相应得出渡槽中动力压力值及其分布。以某排架支撑矩形渡槽为例,采用本文提出的伪三维模型进行地震时程分析,计算结果与三维模型计算结果吻合良好。本文提出的伪三维动力分析方法计算效率高,满足渡槽结构抗震设计要求,便于工程应用,是大型渡槽结构动力分析研究和抗震设计的实用静、动力分析方法。     

DYNAMIC RESPONSE OF SATURATED POROUS ELASTIC FOUNDATION UNDER POROSITY ANISOTROPY$^{\bf 1)}$

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.     

贮液容器水动弹性分析的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法

本文提出一种计算弹性容器——有自由面贮液流固耦合系统的固有振动模态和液体动压力、自由液面位移及容器弹性变形对地震等激励的响应的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法,着重处理旋成贮液容器的水动弹性问题。该方法计及全部流固动力耦合效应,但显著压缩了计算规模,计算结果与试验符合得很好。当需要在多种贮液深度进行贮液容器的水动弹性分析时,本方法尤其经济有效。     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

简谐荷载下橡胶隔震渡槽-水耦合体共振响应机理分析

采用计算流体力学（CFD）方法分析了在简谐激振作用下橡胶支座隔震渡槽槽-水耦合体的共振响应特性,并通过基于水体小幅晃动假设的槽水动力响应理论解进行了验证。结果表明：橡胶支座能将激振的高频分量隔离掉,使得槽-水耦合体不存在理论解所显示的高频共振问题;在接近水体一阶晃动频率的情况下容易发生共振响应;在以一阶水体自振频率的激振作用下,液面波高、动水压力、倾覆力、倾覆力矩均表现出随时间增长的共振放大现象,并且橡胶支座对耦合体的动力响应周期有一定的延长作用。本文对渡槽隔震设计选择隔震周期时,需要避开水体一阶晃动频率提供了参考依据。     

拱坝-地基动力体系的简化计算模型及其在地震作用下的动力反应分析

通过对拱坝地基的半无限空间动力体系的分析,提出了拱坝－地基动力相互作用问题的简化求解途径,并结合小湾拱坝进行了实际分析。结果表明,这种直接应用于时域求解的简化模型,既反映了影响相互作用的主要因素,又使计算工作量大大减少,结果可靠合理,便于工程上的推广应用,同时为进一步进行非线性体系在时域中的简化计算打下了基础。     

Research of air-cushion isolation effects on high arch dam reservoir

A three-dimensional (3D) finite element model of air-cushion isolated arch dam is presented with the nonlinear gas-liquid-solid multi-field dynamic coupling effect taken into account.In this model,the displacement formulation in Lagrange method,pressure formulation in Euler method,nonlinear contact model based on Coulomb friction law are applied to the air-cushion,reservoir and contraction joint domain,respectively.The dynamic response of Jinping I arch dam with a height of 305 m is analyzed using the seismic records of the Wenchuan Earthquake in 2008.Numerical results show that the air-cushion isolation reduces significantly the hydrodynamic pressure as well as the opening width for the contraction joints of high arch dam.     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

模拟长纤维增强树脂层合板冲击损伤的数值方法

建立了一套模拟树脂层合板低速冲击下损伤过程的方法.该方法采用Mindlin板模型并考虑板的大变形,使用以前提出的一种修正的Newmark时间积分方案进行层板的动态分析,全面考虑了复合材料的脱层破坏、基体开裂和纤维断裂等破坏形式及其相互作用.还建立了一种适合于 Mindlin板的计算应变能释放率的方法;构造了一种连续的罚函数来动态加人弹簧约束以考虑脱层间的接触效应;证明了球板之间的冲击过程是刚性系统,应使用A（α）稳定的数值方法求解;实现了模拟过程中的自适应分析.使用所开发的软件NBHULI完成了长纤维增强碳/环氧复合材料层板在低速冲击下损伤过程的模拟,取得了一些重要的结果.     

大型桩基础动力特性及地震反应分析

本文针对大型桩基础的地震反应问题,以上海“东方明珠”广播电视塔桩基础为工程背景,采用梁单元模拟桩的运动,用8节点块体单元对土体进行离散,通过凝聚法消去桩（梁）节点的转动自由度,建立了“东方明珠”电视塔中央部位桩基础的三维有限元分析模型,对桩基础的动力特性进行了计算与分析。在此基础上,以文献[1]根据地震危险性分析和土层反应分析后获得的桩尖处加速度时程作为输入,对桩基础的动力反应进行时程分析,探讨了桩－土动力相互作用和上部结构等因素对地震地面运动和桩承台反应的影响,得到了一些有应用价值的结果。     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序,基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法,研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应,并且将数值结果与现场实验结果进行比较,由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2 t TNT炸药在距离坝体上游面10 m不同起爆深度的情况下,有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明,无泡沫混凝土保护层时,坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动;当上游表面有泡沫混凝土保护层时,坝体上游表面的损伤明显变小,下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤,在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

空间刚性杆——弹簧组合结构轨道、姿态耦合动力学分析

以空间太阳帆塔在轨运行中遇到的强耦合动力学问题为研究背景,建立了空间刚性杆-- 弹簧组合结构轨道与姿态耦合 问题的动力学模型,采用辛 (几何) 算法研究了其轨道与姿态耦合的动力学行为,研究结果可以从系统的能量保持情况间接得到验 证. 首先,基于变分原理,通过引入对偶变量将描述空间刚性杆-- 弹簧组合结构动力学行为的拉格朗日方程导入哈 密尔顿体系,建立简化模型的正则控制方程;随后,采用辛龙格库塔方法模拟分析了地球非球摄动对轨道、姿态的影响及系统能 量的数值偏差问题. 数值模拟结果显示:随着初始姿态角速度增大,轨道半径的扰动 增大,轨道与姿态之间的耦合效应加剧; 带谐摄动对空间刚性杆-- 弹簧组合结构模型的轨道、姿态产生的影响比田谐摄动要高出至少两个数量级;同时辛龙格库塔方法能更好 地快速模拟地球非球摄动影响下空间刚性杆-- 弹簧组合结构的动力学行为,并能够长时间保持系统的总能量,有望为 超大空间结构实时反馈控制提供实时动力学响应结果.      

大型正交异性结构动力学分析的空间-时域多尺度方法及应用

为了更加精确、快速地求解大型正交异性结构整体及局部动力响应,提出了基于有限元模态分析和参数优化的等效及多尺度建模方法,在等效建模时可以充分考虑结构细节对整体动力学属性的影响,在时域内采用基于显式中心差分子循环算法求解系统方程,可以减小局部精细建模带来的求解时间惩罚。通过大型盾构隧道地震响应以及船-桥碰撞过程仿真计算验证了方法的有效性和实用性,仿真得到的响应规律可为相关结构设计提供参考。