成层半空间出平面自由波场的一维化时域算法

提出了一种计算出平面SH波斜入射时弹性水平成层半空间中自由波场时域计算的一维化有 限元方法. 在进行有限元网格划分时，竖向单元取满足有限元模拟精度的任意尺寸，水平向 网格尺寸由时间离散步长和水平视波速确定，并自动进行虚拟网格划分. 基底设置人工边界， 并将波动输入转化为等效荷载施加在边界节点上. 然后将集中质量有限元法和中心差分法相 结合建立节点运动方程，并将水平方向相邻节点的运动用该节点相邻时刻的运动表示，从而 将求解节点运动的二维方程组转化为一维方程组. 求解此方程组，即得到自由场中竖向一列 节点的运动. 最后根据行波传播的特点，可方便地确定全部自由波场. 理论分析和数值算例 表明，该方法具有较高的精度和良好的稳定性.     

三维非均匀介质中弹性波传播的数值模拟

提出了一种三维非均匀介质中弹性波传播数值模拟的方法,文中称为三维格子法。该算法是二维格子法（一种二维非均匀介质中P－SV波传播的数值模拟算法）向三维非均匀介质情况的推广。在空间离散上该文方法与有限元方法类似,容许根据连续体的形状和介质分界面任意剖面网格,且自然满足自由表面边界条件。不同于常规有限差分法在各个节点上满足动力学微分方程,该算法通过满足各节点周围格子的整体平衡（积分平衡方程）来对问题进行求解,三维格子法所需的计算机内存及计算耗时与同阶精度的规则网格有限差分法相当。算例表明,该文提出的三维格子法具有较高的精度且可很好地模拟三维复杂形状地表对弹性波的反射和绕射。     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论。在两相不可压和小变形的假设下，建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理，并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式，由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函，空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分—积分方程组，在一般条件下。该积分—微分方程组可转化为对称的微分方程组，这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组，作为数值例子，分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射，其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性。     

有限元离散模型中的出平面波动

采用分离变量技术,将二维出平面(Anti-Plane)波动问题的有限元运动方程化为两个联立的一维方程,获得了这一离散模型中波动的解析解,由此对有限元离散模型中出平面波动问题进行了深入的研究。分析了出平面弹性波的频散、截止频率、寄生振荡和有限元离散化引起的波传播的附加的各向异性性质等,同时讨论了时域离散化对出平面波动规律的影响。     

用二次形函数薄层法分析弹性层状地基中的动力问题

薄层法是分析和模拟弹性波在层状介质中传播的一种半解析半数值方法。本文在土层垂直方向离散中利用Galerkin加权残值法推导出二次形函数薄层元的计算公式。采用薄层单元模拟半空间上的层状场地,模型底面用阻尼器边界或傍轴边界代替半空间。利用点源简谐荷载作用下的土层反应与其它数值分析方法的对比讨论薄层模型的设置指标。并用一次和二次两种形函数离散方法计算了层状地基中的面波频散曲线、圆形均布简谐荷载作用下弹性半空间的位移反应和半无限地基中单桩的竖向阻抗函数,分别讨论其计算精度。     

松弛方法在计算凝聚炸药爆轰问题中的应用

利用松弛近似,将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组,并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散,由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建立的松弛方法可以避免求解Riemann问题及计算非线性通量的Jacobi矩阵,同时无需分裂处理反应源项。通过对凝聚炸药的平面一维定常爆轰波结构及球面一维聚心、散心爆轰起爆和传播过程的数值模拟,验证了所建立的松弛方法能够很好地计算凝聚炸药爆轰问题。     

轴对称坐标系下含曲率的水平集方程在非结构网格上的数值方法

为了在三角形和四边形网格上采用水平集方法模拟轴对称爆轰波阵面与曲率相关的运动,假设爆 轰波阵面的法向速度是曲率的线性函数,通过坐标变换得到了轴对称坐标系下的水平集方程。水平集方程的 曲率无关项采用正格式离散,曲率项采用伽辽金等参有限元方法空间离散,时间离散采用半隐格式。算例表 明,在轴对称三角形网格和四边形网格上,含曲率的水平集方程的离散格式为强一阶精度。给出了三角形和 四边形混合网格上不光滑界面以曲率收缩的运动过程,收缩过程未出现不稳定现象。多个爆轰波阵面相互作 用的算例说明本文的格式可有效地模拟曲率相关的爆轰波的相互作用问题     

弹性波在螺栓搭接结构中传播行为的数值模拟

为了建立有效的基于弹性波的螺栓连接损伤检测方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为至关重要。本文针对典型单螺栓搭接薄梁,采用非线性多物理场耦合有限元仿真方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为。采用ANSYS中压电耦合单元建模MFC压电传感器,非线性接触单元建模螺栓连接结构,将接触面之间考虑为考虑摩擦接触的非线性关系。依次对螺栓施加预紧载荷,对结构施加模拟电压激励,进行非线性瞬态波传播分析。同时,本文对仿真结果进行了实验验证。结果表明,本文建立的有限元模型和分析方法能够有效地模拟弹性波在连接结构中的传播过程,数值预测的响应电压和实验结果吻合较好。针对非线性模型计算耗费大的问题,本文对非线性模型进行了线性化改进。具体为采用准静态接触有限元分析确定对接面有效接触面积的大小,然后将接触面积上对应节点绑定,进行线性瞬态波传播分析。结果表明:本文的线性方法能够有效模拟波传播过程,并能有效降低计算耗费;弹性波在连接梁中传播时,经过连接界面和螺栓位置时,传播路径、波形、幅值都发生了较大的变化。     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

板下地基位移分布规律及参数确定

将弹性半空间地基受任意竖向荷载作用下的静力位移积分变换解与弹性半空间地基上四边自由矩形板受任意竖向荷载作用下的弯曲解析解相结合,建立了求解板下地基位移的一般方法.对一些算例,进行大量数值计算分析,得出弹性半空间地基上四边自由矩形板下地基水平位移和竖向位移的分布规律,地基影响深度,并由此分布规律确定了其相应的简化模型-双参数地基模型的两个参数.     

A 1D time-domain method for in-plane wave motions in a layered half-space

A 1D finite element method in time domain is developed in this paper and applied to calculate in-plane wave motions of free field exited by SV or P wave oblique incidence in an elastic layered half-space. First, the layered half-space is discretized on the basis of the propagation characteristic of elastic wave according to the Snell law. Then, the finite element method with lumped mass and the central difference method are incorporated to establish 2D wave motion equations, which can be transformed into 1D equations by discretization principle and explicit finite element method. By solving the 1D equations, the displacements of nodes in any vertical line can be obtained, and the wave motions in layered half-space are finally determined based on the characteristic of traveling wave. Both the theoretical analysis and the numerical results demonstrate that the proposed method has high accuracy and good stability. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50478014), the National 973 Program (2007CB714200) and the Beijing Natural Science Foundation (8061003). The English text was polished by Yunming Chen.     

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.      

Numerical study on wave propagation in a low-rigidity elastic medium considering the effects of gravity

We discuss the effects of vertical gravity force on wave propagation when a material is intermediate between solid and fluid, especially we focus on what kinds of phase are generated and how it propagates on the surface. We introduce gravity terms into the 2D linear finite element method in order to account for the contribution from the gravity. Numerical simulations are conducted for a half-space model and a two-layered, single horizontal layer overlain on a half-space, model. Both models are compared between the results including and excluding the viscosity. The fastest phase propagating from a surface point source, a leaking Rayleigh wave for usual elastic material, is transformed into an interesting phase including some common features to the gravity wave when the gravity effect becomes significant. The viscosity does not affect the fastest phases, whereas it affects other latter phases appearing only for the two-layered model.     

轴向应力波作用下圆柱壳弹性轴对称动力失稳有限元特征值分析

本文运用有限元特征值分析方法对应力波作用下圆柱壳弹性轴对称动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了圆柱壳轴对称动力失稳时的有限元特征方程,在此方程中考虑了应力波效应及横向惯性效应,把圆柱壳弹性动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入圆柱壳动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。计算结果揭示了圆柱壳弹性轴对称动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。     

非饱和弹性半空间地基的稳态响应半解析法研究

应用半解析法研究简谐荷载下非饱和弹性半空间地基的稳态响应。基于非饱和土的动力控制方程以及非饱和弹性半空间的边界条件,建立地基层单元的半解析函数,应用加权残数法得到在简谐荷载下非饱和弹性半空间地基的稳态响应半解析方程。对半解析方程求解,得到了竖向简谐荷载作用下非饱和弹性地基水平位移和竖向位移幅值,数值分析了饱和度和地基深度等参数对孔压和位移幅值的影响。研究结果表明,应用本文方法研究非饱和弹性半空间地基的稳态响应是切实有效的。     

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少. 本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法. 该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达. 典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.      

直接有限元法求解广义磁热弹二维旋转问题

为了验证直接有限元法求解广义磁热弹耦合旋转问题的有效性及准确性,该文基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,采用直接有限元方法,求解了置于磁场中的旋转半无限大体受热冲击作用的动态响应问题.文中给出了L-S型广义磁热弹耦合旋转问题的控制方程,建立了L-S型广义磁热弹旋转问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限...     

Wave propagation analysis in anisotropic and inhomogeneous uncracked and cracked structures using pseudospectral finite element method

The work deals with the development of an effective numerical tool in the form of pseudospectral method for wave propagation analysis in anisotropic and inhomogeneous structures. Chebyshev polynomials are used as basis functions and Chebyshev–Gauss–Lobatto points are used as grid points. The formulation is implemented in the same way as conventional finite element method. The element is tested successfully on a variety of problems involving isotropic, orthotropic and functionally graded material (FGM) structures. The formulation is validated by performing static, free vibration and wave propagation analysis. The accuracy of the element in predicting stresses is compared with conventional finite elements. Free vibration analysis is carried out on composite and FGM beams and the computational resources saved in each case are presented. Wave propagation analysis is carried out using the element on anisotropic and inhomogeneous beams and layer structures. Wave propagation in thin double bounded media over long propagating distances is studied. Finally, a study on scattering of waves due to embedded horizontal and vertical cracks is carried out, where the effectiveness of modulated pulse in detecting small cracks in composites and FGMs has been demonstrated.