波动问题中流体介质的动力人工边界

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

DYNAMICAL ARTIFICIAL BOUNDARY FOR FLUID MEDIUM IN WAVE MOTION PROBLEMS

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程，分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球 面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式. 在应力表达形式上，固相 介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成，它们分别与质点的位移和速度成正比， 因此，可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧------黏滞阻尼器，用来模拟人工边 界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用，从而形成了流体饱和多 孔介质的黏弹性动力人工边界. 流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通 用软件结合，用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题. 算例表明流体饱和多 孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性.     

透射边界高频失稳机理及其消除方法——SH波动

用有限元法求解近场波动问题,须选取人工边界条件以实现对无限域稳定、高效的数值模拟. 该文探讨了SH波导 有限元数值模拟中透射边界引发的高频失稳问题. 从离散模型出发,分析了内节点与人工边界节点运动方程频散曲线之间的匹配关系,揭示了高频失稳的一种机理,即二者相互耦合所 得计算方案支持自发从人工边界向计算区域内行进的高频波动. 提出通过调整内节点运动方程以改变这一匹配关系,从而消除失稳的措施. 理论分析与数值结果表明该措施能有效地消除高频振荡失稳.     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:二维波动

将邢浩洁和李鸿晶提出的多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)的谱元格式应用于均匀介质中线弹性SH波动问题的谱元模拟.假定紧邻人工边界的一层谱单元为具有直线边界的四边形单元,以保证每个人工边界节点都唯一对应一条指向内域的离散网格线.人工边界节点在某时刻的位移由该离散网格线上的节点在前若干时刻的位移确定,按照MTF谱元格式进行计算.通过平面波以一定角度传播的外源问题算例和点源脉冲自由扩散的内源问题算例,验证了方法的可行性以及对实际复杂波动问题的适用性.通过不同类型初值问题算例,在时域内分析了插值多项式阶次、人工波速和透射阶次三个参数对反射误差的影响.结果表明:插值多项式阶次较高的格式会表现出更好的精度,但总体上对反射误差的影响较小;人工波速对反射误差具有显著影响,当人工波速小于介质物理波速时反射误差较大,而当人工波速等于或稍大于介质物理波速时反射误差处于较低水平;透射阶次对反射误差具有决定性影响,表现在不失稳的情形下提高透射阶次能够迅速降低反射误差,但内源问题从三阶MTF开始出现飘移失稳,外源问题从二阶MTF开始出现轻微的飘移失稳.     

平面波任意角度入射时波动散射问题输入的一种实现方法

对于半无限域中波动散射问题的数值分析,人工边界条件的实现及波动输入是其中的关键问题之一。在波动输入的自由场分析中,以往研究大多考虑垂直入射或入射方向平行于含纵坐标轴的某一坐标面,难以真实地反映地震动的真三维效应,局限了其应用范围。论文文考虑空间任一角度入射的平面波,通过传递矩阵方法和坐标系变换,得到三维空间的自由场,结合集中质量显式有限元方法,实现了透射边界和粘弹性人工边界的波动输入以及三维波动散射的数值模拟,通过自编的程序及算例,验证了该方法的有效性,对比分析了空间入射角度对波动散射的影响。     

土-结构相互作用体系人工边界的动力反应与分析

在结构-地基相互作用(SSI)体系的动力分析中人工边界的模拟与选取是一个关键因素,直接影响SSI体系的动力分析结果.人工边界模拟方法众多,目前对于不同人工边界在各种计算条件下模拟效果的比较研究所见不多.采用数值方法集中比较了工程中广泛应用的几种人工边界在SSI体系分析中的动力反应,详细分析了一维柱体在各种人工边界及输入的冲击荷载及正弦周期荷载作用下的动力分析结果的精确性及稳定性.研究结果表明,人工边界的动力模拟效果与输入震源的动力特性及分析介质的弹性常数存在密切的关系,即较高的输入震源频率需要较高的介质弹性波速,才能保证人工边界的稳定性与适用性.结合上海地区土体及地震波特性,指出本地区SSI体系的动力计算宜采用粘弹性人工边界.     

局部人工边界稳定性的一种分析方法

采用时域局部人工边界同有限元或有限差分相结合的方法分析无界域中的波动问题时可能出现由边界引起的数值失稳现象．本文提出一种分析局部人工边界稳定性的实用方法．该方法从时域逐步积分格式出发，考虑了边界节点运动和内部节点运动的耦合以及离散化的影响，可以给出局部人工边界在多维波动数值模拟中的稳定性近似准则．文中对多次透射边界在一维及二维出平面波动模拟中稳定性的分析结果，表明了该方法的合理性     

结构-外流体动力相互作用的半解析方法

本文采用二维解析和一维离散的方法处理无限流体介质,建立了一种分析结构与外流体动力相互作用问题的半解析无限元法,使结构与流体的耦合振动以及波浪对弹性结构绕流等三维问题化为一维问题来求解,从而在很大程度上节省了单元、内存与计算工作量,同时径向无限域边界可得以正确模拟,比现有的有限边界人工处理更显优越,文中建立了适于不同结构类型的环单元与锥单元,给出了算例与比较。     

黏弹性多层介质中SH波动的一种吸收边界条件

提出一种高精度时域吸收边界条件,与有限元法结合用于模拟瞬态标量SH波在达朗贝尔黏弹性多层介质中传播问题.建立时域吸收边界条件的过程是:首先将半无限域沿着竖向半离散得到半离散的位移方程以及人工边界处的力-位移关系,再通过引入模态分解,将物理空间下的量转化到模态空间,从而获得半无限域模态空间下的频域动力刚度;其次采用一种在全频范围内收敛的连分式精确逼近单层介质模态空间下标量形式的频域动力刚度,将标量连分式扩展为矩阵形式用来表示多层介质的频域动力刚度;最后通过引入辅助变量技术,将模态空间下基于连分式的频域动力刚度关系转化为时域吸收边界条件,进一步转换到物理空间后得到物理空间下的时域吸收边界条件.单层介质和五层介质的数值算例表明,建立的高精度时域吸收边界条件对于达朗贝尔黏弹性单层介质是精确且稳定的;对于达朗贝尔黏弹性多层介质,为了保证其高精度特性,需要将人工边界放置在距离感兴趣区域约为0.5倍无限域高度的位置处.     

An improved wave motion input method for application of multi-transmitting boundary

To solve scattering problems with multi-transmitting boundary, we present an improved wave motion input method based on the idea that error caused by the difference between incident wave field used in calculation and waves propagating in finite element grids can be eliminated to suppress drift instability. In this method, a calculation scheme is proposed to obtain the numerical solution of incident wave field, which establishes boundary region models with the multi-transmitting boundary. Numerical experiments demonstrate that this improved wave motion input method not only eliminates drift instability but also effectively improves the calculation accuracy of low-frequency components. Furthermore, the method is easy to implement and, unlike other approaches, does not need artificial parameters. Thus, this method is proposed for use in wave scattering simulation such as seismic response analyses of structures, particularly for long-period structures and those that are sensitive to low frequency.     

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.      

波动数值模拟中的外推型人工边界条件

当前波动数值模拟中的人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)数量繁多, 但用于串联它们的理论及公式体系还需进一步完善, 以便在复杂波动问题模拟中更准确地选取ABC并评估其性能. 本工作发展一种外推型人工边界条件理论, 将一系列利用临近边界一组节点在前若干时刻的运动来外推人工边界节点运动的经典ABC纳入一个体系. 这些ABC包括廖氏透射边界(multi-transmittig formula, MTF)、旁轴近似边界、Higdon边界以及Givoli-Neta、Hagstrom-Warburton、AWWE辅助变量边界等. 针对现有边界公式存在的不足, 分别提出一种引入多个人工波速进行优化的MTF公式(离散公式)和一种定义在统一局部坐标之上并采用多个人工波速作为控制参数的统一Higdon边界公式(连续公式或微分方程形式ABC), 作为外推型ABC的两个基本公式. 这二者是最简单实用的外推型ABC, 其他同类ABC大多可以由它们转化得到, 或者通过某种等价的中间形式与之相关联. 数值试验证实了理论的正确性, 并初步展示了多人工波速ABC比传统单一人工波速ABC所具有的优势. 研究结果不仅具有重要理论价值, 还为更好地解决具有差异较大的多种物理波速的复杂波动, 如大纵横波速比的软土介质中波动或海洋声学、 气象学中的频散波动等的ABC问题提供了实用方法.      

线性随机结构在随机激励下动力响应分析

利用虚拟激励法对随机结构正交展开理论进行扩展,并在Ritz向量子空间中对扩阶系统方程进行动力聚缩,提出了一类可以快速高效地进行线性随机结构复合随机振动分析的计算方法．算例分析表明,该法可以方便地分析随机结构在平稳或非平稳随机激励下的复合随机振动问题,且分析结果与 Monte Carlo模拟分析结果符合良好;与均值参数确定性结构传统随机振动分析计算结果相比,随机结构在相同随机激励下响应自谱密度曲线具有峰值降低、谱宽增大的特点．     

一种新的高阶弹簧-阻尼-质量边界——-无限域圆柱对称波动问题

提出一种描述力-位移时间卷积关系的高阶弹簧-阻尼-质量模型,并将其作为人工边界条件直接应用于弹性动力学无限域圆柱对称运动问题的时域数值求解. 该人工边界条件不存在旁轴近似、多次透射等位移型外推人工边界条件普遍存在的高、低频失稳问题;与黏性、黏弹性边界等应力型人工边界条件相比,它具有高阶精度,且是严格高、低频双渐近的,也可以退化到黏性、黏弹性边界;该边界可以像黏性、黏弹性边界一样利用商用有限元软件中内置的并联弹簧-阻尼器、质量单元和时间积分求解器在商用软件中方便地实现,便于研究人员和工程师应用. 分析的几个简单数值算例也验证了该边界条件的上述优点.      

多次透射公式飘移问题的控制方法

多次透射公式(multi-transmitting formula, MTF)是在近场波动数值模拟中一种广泛应用的人工边界条件, 具有形式简单、精度可控和通用性好的优点, 但高阶MTF与有限元方法相结合有时会出现飘移问题. 现有的几种MTF消飘方法往往会显著地影响边界精度, 为此本文提出一种新的消飘因子修正MTF格式, 能够在较高精度水平下实现对飘移问题的有效控制. 该方法保持MTF的一次透射项不变, 仅对各高次透射误差项进行修正, 从而大幅降低了因消飘因子造成的精度损失. 消飘因子设置格式确保在零频和零波数情形下能够满足GKS准则, 从理论上保证了消飘目标的实现. 进一步给出该方法的高阶统一形式, 并将传统的消飘因子修正MTF的方法归结为该统一形式的一个特例. 通过反射系数分析, 证明本文方法不仅具有精度优势, 而且消飘因子选取的适应性更强、取值范围更广. 数值算例表明, 本文的消飘因子对波动能量比较集中的法向和小角度透射波动的模拟精度影响很小, 在控制高阶MTF飘移问题和保持模拟精度方面, 均能够取得明显效果.      

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.     

含孔曲板弹性波散射与动应力分析

基于敞口浅柱壳弹性波动方程及摄动方法，对无限大含孔曲板弹性波散射及动应力问题进行了分析研究，将经典薄板弯曲波动问题的分析解作为本问题的主项，给出了在稳态波下孔洞附近散射波的零阶渐近解。建立了求解含孔曲板弹性波散射与动应力问题的边界积分方程法，利用积分方程法可获得问题的近似分析解。并给出了无限大曲板圆孔附近动应力集中系数的数值结果，且对计算结果进行了分析与讨论。