舰船海底地震波形成机理的理论分析

航行舰船是一个很大的振动和噪声源,其振动和噪声引起的压力波经由流体介质传播到海底,引起海底岩层振动,产生弹性波并向远处传播,这种航行舰船在海底引起的弹性波称为舰船海底地震波。舰船海底地震波可用于识别舰船目标,作为水中武器的目标探测信号。基于波动理论,得到了舰船引起海底地震波的波动方程和有限元数值计算模型。利用该模型,对二维半无限空间层状海洋环境在水压场和极低频点声源作用下的海底地震波信号进行了数值模拟,得到了远场海底表面处加速度和水压的时域频域信号。结果表明,在二维半无限空间层状海洋环境条件下,舰船远场海底地震波主要由舰船极低频的噪声辐射引起,主要频率范围在1-7Hz。     

泡沫铝冲击吸能器被动冲击隔离技术研究

对隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行探讨.首先,在综合考虑最大加速度和最大相对位移这2个影响舰船设备防护的重要指标情况下,对舰船单层隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行了理论分析,在此基础上进行了实验验证.通过实验结果可知,泡沫铝冲击吸能器能有效消除舰船设备的二次冲击.实验结果与理论结果吻合较好,可为泡沫铝冲击吸能器的应...     

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

薄膜涂层材料中的广义瑞利波

基于弹性动力学的线性理论，建立了涂层材料中广义瑞利波传播的理论分析模型，并 且由波动方程和边界条件推导了波的频散方程．分析了慢层和快层对相速度频散的影响，给 出了不同层厚-波长比和不同涂层-基体密度比情况下广义瑞利波相速度的理论解．算例分 析分别比较了慢层和快层结构中波的相速度、群速度，以及随深度衰减的位移与应力振 幅．另外，相速度曲线和位移振幅曲线与文献中给出的结果吻合，验证了理论模型和分析过 程的正确性．     

复合材料层合厚板锯齿理论及有限元分析

对于较厚复合材料弯曲问题,已有锯齿型厚板理论最大误差超过35%。为了合理地分析较厚复合材料弯曲问题,发展了准确高效的锯齿型厚板理论。此理论位移变量个数独立于层合板层数,其面内位移不含有横向位移一阶导数,构造有限元时仅需C0插值函数,故称此理论为C0型锯齿厚板理论。基于发展的锯齿理论,构造了六节点三角形单元并推导了复合材料层合/夹层板弯曲问题有限元列式。为验证C0型锯齿厚板理论性能,分析了复合材料层合/夹层厚板弯曲问题,并与已有C1型锯齿理论对比。结果表明,本文的C0型锯齿厚板理论最大误差15%,比已有锯齿型厚板理论准确高效。     

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.     

地震作用下摩擦耗能减震结构优化

提出了地震作用下摩擦耗能支撑参数优化的一种新的数学模型。它的特点是在给定的几条地震波作用下,在满足框架的规范层间位移角限值要求下,框架各层安装的耗能支撑刚度之和最小,从而实现安装较少的耗能装置而能达到相同的抗震要求。本文利用遗传算法求解该优化问题,并编制了基于遗传算法的几条地震波分别作用下的摩擦耗能框架结构支撑参数弹塑性动力优化分析程序GAOFF。最后给出了一6层框架在三条地震波分别输入下的优化算例,分析结果表明本文方法是有效的。     

不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应分析

为探究不同类型地震波作用下地下综合体结构的地震反应特征,本文以上海某地下综合体为工程背景,采用ABAQUS软件建立土-地下综合体结构相互作用体系三维有限元模型,利用Davidenkov模型模拟土的非线性,以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入,对软土场地中地下综合体结构进行了地震反应分析,比较了不同类型地震波作用下地下综合体结构地震反应的差异,探讨了地下综合体结构的竖向地震动效应问题．本文的算例结果表明：在长周期地震波作用下地下综合体结构的位移响应和内力响应峰值均明显大于普通地震波作用下的结果;考虑竖向地震动时地下综合体结构的柱轴力较单一水平向地震动作用情形有明显增大;在本文地下综合体结构算例中,地下三层柱底、四层柱顶、五层柱底、以及底板与侧墙连接处为受力较大部位．     

压电层合圆杆中的几何非线性波

利用有限变形理论,导出了描述压电层合杆中几何非线性波的传播方程.在端部作用有限振幅位移函数的边界条件下,用逐步近似法对位移函数进行了假设,推导出了一维压电杆中位移函数与电势函数之间的关系式,并应用变动参数法求解了变换得到的非齐次波动方程,得到了位移和电势的响应.数值分析表明:初始频率的改变对位移和电势的非线性特性影响不大;而初始振幅的增加会使非线性波形畸变特性明显增强.     

含覆盖层峡谷地形对平面P、SV波的宽频散射模拟

含覆盖层峡谷对地震波的高频散射规律尚不明确．本文采用间接边界元方法(IBEM)分析半空间中含覆盖层峡谷地形对地震波的二维宽频散射,对入射波型、入射角度和频率、覆盖层深宽比等因素对覆盖层地震响应规律的影响进行探讨分析．结果表明：IBEM可高效精确地对地震波的散射进行宽频模拟．对中低频段（无量纲频率η10.0）,覆盖层放大效应减弱甚至出现缩幅效应．随覆盖层深度增加,位移放大频段的带宽逐渐减小,第一峰值频率降低,且在低频段频谱曲线振荡剧烈．另外,覆盖层形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响,不同波型入射下聚焦区域有很大差别．实际含覆盖层峡谷地形地震反应分析需精细考虑波型、入射波频率和角度、覆盖层深宽比等因素,以更科学地进行震害解释和地震安全性评价．     

变深度浅水域中非定常船波

以Green—Naghdi(G—N)方程为基础，采用波动方程／有限元法计算船舶经过变深度浅水域时非定常波浪特性．把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用．以Series60 CB＝0．6船为算例，给出自由面坡高，波浪阻力在船舶经过一个水下凸包时变化规律，并与浅水方程的结果进行了比较．计算结果表明，当船舶经过凸包时，波浪阻力先增加，后减少，并逐渐趋于正常．同时发现，当船速小于临界速度时(Fr＝√gh＜1．0)，G—N方程给出的船后尾波比浅水方程的结果明显，波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高，频率散射必须考虑．当船速大于临界速度时(Fr＝√gh＞1．0)，G—N方程的计算结果与浅水方程差别不大，频率散射的影响可以忽略．     

An analytical study on the Rayleigh wave generation in a stratified structure

In this paper, an analytical method is used to investigate the Rayleigh wave generation in a stratified structure and the wave generation in a dry sandy layer constrained between the couple stress and inhomogeneous orthotropic half-spaces. This study is devoted to analyzing the impact of various effective parameters associated with the media on the phase velocities of the wave. The displacement components for each medium are derived by implementing the separable variable method. The frequency equation is secured by using the displacement components in the boundary conditions, imposed at the interfaces between the layer and half-spaces. Moreover, the secured equation is the relation between the phase velocity and the wave number. Numerical computations are performed, and graphical representations are demonstrated between the phase velocity and the wave number for both phase velocities with different values of the parameters.The comparison between the phase velocities is observed for the same value of each parameter.     

Mach Wave Radiation by Mixing Layers. Part I: Analysis of the Sound Field

In Part I a wave packet model is used to show that a time-developing mixing layer produces a Mach wave pattern similar to the one produced by a spatial-developing mixing layer. However, this kind of similarity does not exist for the sound emitted by subsonic sound sources. A method to analyse temporal direct numerical simulation (DNS) results for the Mach wave pattern is then developed and demonstrated using numerical results of the wave-packet model. The method is applied to the temporal DNS results of a supersonic mixing layer undergoing transition to turbulence. Two dominant Mach waves are revealed. The first wave originates from about the time of the Λ-vortex structure dominance in the layer. The second wave appears just prior to the final breakdown of the layer to a fine-scale turbulence structure. The second wave shows a higher level of a finite-amplitude wave behaviour and a smaller-scale source structure than the first wave. Directivity plots and frequency spectra are provided and discussed. Received 5 August 1997 and accepted 6 April 1998     

覆水饱和双相介质圆弧场地P波激励下散射问题的理论解

采用波函数展开法对平面P波入射复杂水域地形的空间变异性地震动场进行研究,该水域地形具有覆水层、饱和双相介质、场地非平坦以及第二类分层(场地跨越分层界面)等属性.首先,依据地震波反射和透射特性推导直角坐标系下的自由波场分布;然后,根据场地属性并引入大圆弧法分析极坐标系下的含有待定系数的散射波场;进而,结合土-水分界面和饱和土层分界面边界条件,求解散射波场中的待定系数;最后,通过自由波场和散射波场得到覆水饱和双相介质圆弧场地波函数理论解.基于理论解,通过算例验证了理论推导的合理性及可靠性,分析了地表位移在不同入射条件下的差异性.结果 表明,相对于均匀介质,饱和双相介质会显著影响地表位移分布.此外,入射波频率和角度对地震地面运动特性也有较大的影响.     

A long wave low frequency motion model for a finitely sheared elastic layer

We consider two-dimensional long wave low frequency motion in a pre-stressed layer composed of neo-Hookean material. Specifically, the pre-stress is a simple shear deformation. Derivation of the dispersion relation associated with traction-free boundary conditions is briefly reviewed. Appropriate approximations are established for the two associated long wave modes. From these approximations it is clear that there may be either two, one or no real long wave limiting phase speeds. These approximations are also used to establish the relative asymptotic orders of the displacement components and pressure increment. Using these relative orders to motivate the introduction of appropriate a scales, an asymptotically consistent model long wave low frequency motion is established. It is shown that in the presence of shear there is neither bending nor extension, or analogues of their previously established pre-stressed counterparts. In fact, both the in-plane and normal displacement components have the same asymptotic orders and the derived governing equation is of vector form.     

地震波倾斜入射下两相饱和土层响应数值模拟

基于Biot两相饱和多孔介质理论建立了频域内饱和土层的刚度矩阵,对从基岩倾斜入射地震波下饱和土层的波动响应进行了数值研究,入射波采取修正的Kanai-Tajimi谱。通过土层地表面处的水平以及竖直放大系数研究了在不同工况条件下土层的波动响应,研究结果表明,土层的波动响应在入射角接近临界入射角时达到峰值;土层的波动响应随着基岩埋深基以及土层阻尼比的增大显著减小;而土层与基岩的波速比对土层的波动响应的影响存在临界波速比,使土层响应达到极值。对于含有夹层的地质环境,研究了波动响应沿深度的分布,通过与均质土层下响应对比,显示非均质夹层能显著减小土层地表处的波动响应,尤其软夹层能较好地阻止入射波向上的传播。     

集中力作用下的两相饱和介质位移场Green函数

以复模两相饱和介质Biot动力学方程为基础,根据该方程D'Alembert解的Fourier变换所属的Homholtz方程特性,由Biot方程解的相容性条件及δ函数性质较好地解决了快、慢纵波位势的耦合问题.较为简便地得到了两相饱和介质在集中力作用下低频(ω＜ωc)时的频域和时域的Green函数.     

Emergent scale behaviour in the effective equations for an elastic metamaterial

Asymptotic homogenisation of an elastic metamaterial consisting of a series of plates interspaced by a fluid is considered. It is shown that the usual method must be extended by the inclusion of a second macroscale, the “emergent scale”, in order to correctly capture the behaviour of this metamaterial at low frequency. The leading order solutions for plane wave propagation are found and the effective constitutive equations derived. At leading order, the dispersion curves for plane wave propagation depend on the direction of propagation and the branch associated with the emergent scale is dispersive. The effective constitutive equations contain some terms, associated with the shear normal to the plates, for which stress is not proportional to strain but rather depends on the third derivative of the normal displacement with respect to transverse position. These terms are not present in the usual form of the Willis equations and the effective fields are non-analytic functions of frequency as the frequency tends to zero.