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荷载,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荷载的另一种形式,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荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-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荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、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。      

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.     

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     

各向异性对半圆形河谷散射影响的数值分析

半圆形河谷场地可构造为包含河谷的广义子结构和具有规则边界的开挖场地两部分,基于土-结构相互作用SSI原理,建立子结构控制方程。利用比例边界有限元SBFEM求解开挖场地动刚度,解析求解各向异性介质自由场qP波波动,将两者代入控制方程,可求得广义结构的动力响应。与文献中各向同性半空间中半圆形河谷在P波入射下的位移结果对比,验证了方法的精度和有效性。进一步分析了椭圆各向异性和非椭圆各向异性对半圆形河谷在qP波入射下位移分布的影响。数值算例显示,介质的各向异性改变了半圆形河谷散射位移的空间分布,增大了水平向位移的峰值;同时,介质的各向异性加剧了入射角对散射波场位移分布的影响。     

地形和土-结相互作用效应对三维跨峡谷桥梁地震响应的影响分析

评估跨峡谷桥梁的地震性态需要考虑地形效应、行波效应以及土-结相互作用效应.将峡谷-桥梁系统在地震波输入下的反应分析看作波动散射问题,即桥梁及其邻近非规则区域对峡谷场地"自由场"的扰动. 基于此思想,本文发展了一套跨峡谷桥梁地震反应分析方法,通过二维模型分析得到峡谷场地的"自由场", 结合人工边界输入到峡谷-桥梁体系,采用土-结相互作用分区并行方法对其进行分析, 并编制了相应的分析程序.该方法可在自由场分析时考虑非垂直入射地震波, 计入行波效应,因此可综合考虑行波效应、地形效应和土-结相互作用效应. 通过峡谷场地分析算例,验证了自由场和人工边界实施的正确性; 并以马水河大桥为对象,通过5种计算模型结果的比较,分析了地形效应和土-结相互作用效应对跨峡谷桥梁地震反应的影响, 算例结果表明,地形效应对墩底剪力、弯矩和轴力有明显影响,对位移的影响要比对剪力、弯矩的影响小; 土-结相互作用对桥梁反应的影响较大,较大地减小了桥梁反应.      

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

各向异性对半圆形河谷散射影响的数值分析

半圆形河谷场地可构造为包含河谷的广义子结构和具有规则边界的开挖场地两部分,基于土-结构相互作用SSI原理,建立子结构控制方程。利用比例边界有限元SBFEM求解开挖场地动刚度,解析求解各向异性介质自由场qP波波动,将两者代入控制方程,可求得广义结构的动力响应。与文献中各向同性半空间中半圆形河谷在P波入射下的位移结果对比,验证了方法的精度和有效性。进一步分析了椭圆各向异性和非椭圆各向异性对半圆形河谷在qP波入射下位移分布的影响。数值算例显示,介质的各向异性改变了半圆形河谷散射位移的空间分布,增大了水平向位移的峰值;同时,介质的各向异性加剧了入射角对散射波场位移分布的影响。     

近场波动模拟的一种应力人工边界

采用平面波和远场散射波混合透射，引入无限介质线弹性本构关系建立了一种应力人工 边界条件. 其优点在于边界结点反应与内部有限元结点反应采用相同的积分格式计算，有限 元积分方法稳定时不存在人工边界失稳问题. 数值算例表明：边界精度高于现有黏性边 界、黏弹性人工边界，以及一、二阶透射人工边界.     

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.     

推广的多次透射边界：标量波清形

利用空间外推将多次透射边界条件推广以提高这一边界在时域计算中的精度。对全波场仅由入射波构成及由入射波和充分发育的反射波构成两种情况导出了边界反射系数的频域公式。从时域计算精度角度分析了边界反射系数以阐明在透射大角度入射行进波动和消减运动方面推广边界的优点。     

Wave propagation in an orthotropic micropolar elastic solid

Two-dimensional plane wave propagation in an orthotropic micropolar elastic solid is studied. There exist three types of coupled waves in xy-plane, whose velocities depend upon the angle of propagation and material parameters. A problem on reflection of these plane waves from a stress-free boundary is considered. The reflection coefficients of various reflected waves are computed numerically for a particular model of the solid. The effects of anisotropy upon the velocities and reflection coefficients are depicted graphically for different angles of propagation.     

Wave propagation in an initially stressed hypo-elastic medium

The complete integration of the growth equation of the wave for an initially stressed hypo-elastic medium is given. The main result is that the growth now depends on the normal to the wave front. Explicit construction is given for a body of grad one and the results illustrated for one of grad zero.     

Wave impact on the center of an Euler beam

The problem of a symmetric wave impact on the Euler beam is solved by the normal modes method. The liquid is supposed to be ideal and incompressible. The initial stage of impact when hydrodynamic loads are very high and the beam is wetted only partially is considered. The flow of a liquid and the size of the wetted part of the body are determined by the Wagner approach with a simultaneous calculation of the beam deflection. The specific features of the developed numerical algorithm are demonstrated and the criterion of its stability is specified. In addition to a direct solution of the problem, two approximate approaches within the framework of which the dimension of the contact region is found ignoring the deformations of the plate are considered. Lavrent'ev Institute of Hydrodynamics, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk 630090. Translated from Prikladnaya Mekhnaika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 39, No. 5, pp. 134–147, September–October, 1998.     

Wave Propagation in an Orthotropic Cylinder with a Liquid

A numerical method is developed for analysis of nonaxisymmetric waves propagating in a hollow elastic curvilinearly orthotropic cylinder filled with a perfect compressible liquid. Separating out the phase factor leads to a Hamiltonian system of ordinary differential equations. The spectral problem is solved numerically. Dispersion relations for specific waveguides are studied     

Wave resistance of an air-cushion vehicle in unsteady motion over an ice sheet

Unsteady rectilinear motion of an air-cushion vehicle over an ice sheet at various speeds is considered. Ice is modeled by a viscoelastic ice plate. The effects of the basin depth, the thickness and relaxation time of ice, vehicle length, acceleration, deceleration, and speed of uniform motion on the wave resistance of the vehicle are analyzed. Maneuvering methods for increasing or lowering the wave resistance of the vehicle are proposed. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 1, pp. 89–99, January–February, 2008.     

Wave Formation in an Elastic Layer Under Moving Nonstationary Load

International Applied Mechanics - The plane problem for an elastic layer under a nonstationary load is solved analytically. The Laplace and Fourier transforms are used. The solution has the form of...