大型渡槽动力建模研究

根据渡槽系薄壁杆件结构的特点,提出了渡槽薄壁结构空间动力分析模型。采用空间梁段单元进行离散,考虑渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形,由能量原理推导给出了渡槽槽身结构的单元刚度矩阵、质量矩阵的显示表达式;渡槽支架采用空间梁单元模拟;渡槽支架与槽身联贯的盆式橡胶支认采用弹性元件单元模拟。文中具体计算了某大型渡槽的模态,计算结果表明：该模型计算渡槽结构的固有频率与理论解和用大型结构分析程序SAP计算的结果良好接近。本文模型计算简单,使用方便,是大型渡槽动力分析的实用模型。     

基于弹塑性模型的群桩-土-结构动力非线性数值分析

提出一种群桩-土弹塑性模型,结合动力文克尔理论,推导出了与桩(筏)-土属性及SSI体系频率相关的各项弹簧-阻尼单元动力阻抗,建立了三维框架土-结构相互作用有限元简化分析模型。针对不同地震激励,在不同桩-土条件下对模型进行了动力非线性时程分析,结果表明,在某些地震动和土-基础条件下,上部结构非线性作用效应结果可能大于固基假定情形,且桩-土弹塑性模型对上部结构柔弱层位置产生影响。应用本文简化方法可以快速、较准确有效地进行复杂的上下部结构动力时程分析及抗震评估。     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法，考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应，构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比，验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应，引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景，验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性，并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

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。     

列车与结构动态耦合分析的并行计算方法

在分析结构动态响应时考虑列车与结构的动态耦合作用,采用详细三维有限元模型会带来计算量太大的问题。本文采用并行计算方法,根据列车与结构动态耦合模型的计算特点,设计实现了列车结构耦合均衡的分区算法,并以两个工程应用为例,利用该方法对列车结构三维数值模型进行分区计算,结果表明该分区方法比递归坐标二分法有更好的并行效率。     

基于框-剪结构协同工作的抗振墙数量优化研究

针对当前抗震墙数量优化中多是定性分析的现状,根据框架-剪力墙结构整体受力特点,采用横向分类方法,将空间框-剪结构分解量化为榀结构形式。基于有限元思想及框剪结构空间协同分析的离散化原理建立了其力学分析模型及剪力墙优化模型,该力学分析模型能较好地反映结构整体工作性能的主要特征及考虑剪力墙剪切变形的影响,动力分析采用振型分解法计算地震作用,以遗传算法作为优化方法确定出了剪力墙的最优数量。计算结果表明该方法具有较高的精度,可为结构的设计提供参考。     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

三维偏心结构的Pushover分析

Pushover分析方法近年来引起了地震工程界的广泛兴趣,我国新的抗震设计规范已将其作为大震下结构弹塑性变形分析的一种方法。结构不规则性是影响Pushover分析应用的一个主要因素,而加载模式的选取则是Pushover分析的一个关键问题。本文采用FEMA273建议的3种加载模式对两个典型的三维偏心结构（刚度偏心和质量偏心）进行了Pushover分析,并与非线性动力时程分析的结果进行了比较,给出了三维偏心结构Pushover分析加载模式选取的建议。     

高层建筑程序DASTAB中抗震分析的三维反应谱方法及工程实例

本文从三维动力方程出发,应用反应谱理论推导了空间结构在任意方向地面运动作用下结构变形与内力的计算方法。所得到的算式是十分简单、实用的。这套公式对于空间问题自然地计及了扭转效应,而对于平面模型的处理则与当前规范完全一致。可以说,这是当前抗震规范所规定的反应谱方法在三维结构分析中的自然推广及理论论证。 三维反应谱方法已在高层建筑专用程序DASTAB上实现。动力分析可以采用与静力分析同样复杂、细致的模型。国内许多大设计院用DASTAB程序对多种形式的三维结构模型进行抗震计算(包括水平面内0°,45°,90°方向的地震作用),均对计算结果表示满意。由于应用了多层子结构,多级主从关系等技术,从而大大减少了数据准备及计算工作量。     

多点激励反应谱法的理论研究

基于虚拟激励原理建立了多点激励反应谱法。该方法所表示的结构地震动反应由三部分组成,即拟静力响应、动力响应及二者的耦合响应,其中拟静力响应是由地面各点输入位移不一致引起的;动力响应主要是由结构在地面加速度作用下引起的;当结构自振周期小于2s时,拟静力响应与动力响应之间的耦合项可以忽略。该方法计算公式形式简洁,物理意义明确,且与我国现行《抗震规范》中的一致激励反应谱建立了定量关系。在推导过程中,未做任何特殊简化,因而该方法在理论上是严密的。     

基于数值子结构方法的结构弹塑性分析

结合震害调研及数值分析可知,结构最终失效可能仅由部分关键构件破坏引起,大部分构件仍处于弹性或小变形状态。因此为提高计算效率,在结构全过程分析中一致采用非线性单元建模并非必要,同时为准确考虑关键构件的非线性响应,本文提出一种新的数值子结构建模策略。进入弹塑性状态后,针对一般钢构件或钢筋混凝土构件采用动态替换子结构方法在单元或截面层次将其替换成非线性单元或非线性截面,并基于OpenSees平台开发了两类新单元予以实现;针对可能发生严重损伤的关键构件,采用隔离子结构方法将其隔离并建立精细化分析模型,考虑主、子结构间不同尺度边界耦合,并推导了切线刚度的传递关系,采用Client/Server技术在OpenSees平台开发了一类新的接口单元予以实现主、子结构之间的信息传递。为验证新开发单元的合理性,分别以钢及钢筋混凝土平面框架结构为例,采用纤维单元、动态替换子结构方法以及隔离子结构方法建模进行静、动力分析。计算结果表明,采用本文提出的动态替换子结构方法与常规建模方法的计算结果完全吻合并且可大幅缩短计算耗时,随着荷载水平的增大,结构中受到动态替换的构件比例急剧增大,计算效率提高程度略有降低,但仍远高于常规模型;采用本文提出的接口单元可准确传递主、子结构间的界面信息,为隔离数值子结构方法在结构弹塑性分析中的应用提供了基础。     

箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法

为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤，本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法，研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法，对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例，验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性；空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应，又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程，从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．     

计算动力学中的伪弧长方法研究

动力学问题通常采用微分方程来描绘,但由于工程实际问题的复杂性,微分方程模型常伴随着解的不连续性、刚性或激波间断奇异性特点,传统方法很难求解,奇异性问题是计算动力学难点,同时也是国内外学者研究的热点.伪弧长数值算法是针对计算动力学中的奇异性问题所提出的,其基本思想为通过在解曲线上引入伪弧长参数,并增加一个约束方程,在伪弧长参数作用下,使得原始离散单元发生扭曲形变,从而达到消除或减弱奇异性的目的.本文首先介绍伪弧长方法求解定常对流-扩散方程的奇异性问题,并提出针对双曲守恒定律的局部伪弧长算法,其思想在于首先通过间断解的梯度变换来确定强间断所处位置,进而通过局部网格点重构以及数值修正来达到强间断处奇异性消除与降低的目的.针对高维问题,提出全局伪弧长方法,通过对整个计算区域内的网格点进行重构,使得所有网格点向奇异间断点处移动,从而降低间断点的影响域,达到降低奇异性的目的.重点讨论了三维全局伪弧长算法问题的计算难点,即三维空间网格扭曲大变形导致的数值算法不收敛,并提出在算法设计过程中采用分块重构与整体计算相结合的策略,实现了三维空间中的伪弧长数值算法,最后通过数值实验来验证伪弧长算法对于奇异性问题的有效性.     

考虑平稳随机响应的显式结构拓扑优化

随机载荷是工程结构在服役中经常承受的一种复杂的载荷形式,通常采用统计学特性对其进行描述。对随机载荷作用下的结构进行拓扑优化设计是一项极具挑战性的工作,其主要难点在于,(1) 传统隐式拓扑优化方法的设计变量数巨大,且用于结构动态性能拓扑优化问题时存在虚假模态等数值不稳定问题; (2) 对结构的随机动力响应统计量及其灵敏度进行计算需要极大的计算量; (3) 隐式拓扑优化框架下的分析模型与优化模型强耦合,导致结构有限元模型具有极高的自由度,进一步加剧了上述困难。本文基于移动可变形组件框架和虚拟激励法理论,提出了一种平稳随机载荷作用下结构的显式拓扑优化设计方法。通过将一系列可移动和可变形的结构组件作为优化的基础单元,实现了使用少量设计变量描述结构拓扑构型的目的。采用虚拟激励法、自由度删除技术和模态位移法有效降低了对结构进行随机振动分析和灵敏度分析的计算量。在此基础上,以结构柔顺度的标准差为目标函数、以设计域内实体材料的体积为约束条件,实现了限带白噪声作用下结构的拓扑优化设计,并通过数值算例验证了本文方法的有效性。     

Computation of wind-induced vibrations of flexible shells and membranous structures

A partitioned coupling approach for time-dependent fluid–structure interactions is applied to thin shells and membranous structures with large displacements. The frame algorithm connects a three-dimensional, finite volume-based multi-block flow solver for incompressible fluids with a finite element code for geometrically nonlinear structural problems using a commercial coupling interface. Thus a high modularity is achieved and the whole range of opportunities with these two powerful codes — each of them highly adapted to its specific field of application — can be used also for coupled simulations.Two completely different configurations were investigated. First, the coupling algorithm was applied to an academic test configuration consisting of one, two, and three flexible L-shaped plates being loaded by a steady far-field flow. Various investigations were carried out at different Reynolds numbers (Re=50,200, and 500) in order to study phenomena such as vortex shedding, resonance, influence of the interaction between several flexible plates, whereas the second and third plates were placed in the wake of the first.The second part of the paper shows that in principle the coupling procedure can also deal with real-life structures as they occur in civil engineering. A membranous roof of glass-fiber synthetics with a complex shape was exposed to a time-dependent wind gust from diagonally above which was superimposed on a constant basic wind flow parallel to the ground. The structural model contains the pre-stressed textile roof including the taut cables at its circumference which are fastened at the pylons. As a structural response, the wind gust led to a displacement of the textile roof which disappeared again when the gust subsided. With the coupled algorithm proposed in the paper it is possible to study dynamic interactions for engineering applications.     

兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法

为避免考虑瞬态动力性能时拓扑优化的高计算成本，满足工程快速设计的需求，获得主要静动荷载作用下的合理结构形态，本文提出了一种低计算成本的兼顾静动荷载的结构拓扑优化方法。施加的动荷载是地震等效荷载，用振型分解法和抗震规范中的反应谱曲线确定；通过结构形态、动力特性和地震等效静载的相互反馈和作用实现了考虑结构动力特性的拓扑优化；此外，还提出方法的自动进化策略。算例表明，方法可有效实现兼顾静动性能的拓扑优化。     

基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点,提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度,实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量,它首先利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想,由实测结构的激励和加速度响应,构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应;然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系,确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率;最后分别在每个子结构上附加虚拟质量,联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。     

砌体结构破坏倒塌过程的离散单元模拟

基于传统颗粒离散单元模型（DEM）,开发了一种绑定式离散单元模型（BTDEM）用于砌体结构崩塌机制的研究,并对一个典型砌体结构的破坏倒塌过程进行数值模拟。结果证实BTDEM方法能够详细地模拟出砌体建筑结构的崩塌过程,同时还可以模拟出砌块的破碎,是一种普适性较强的模拟砌体结构建筑的高效数值方法。BTDEM方法具有计算速度...