土与结构界面接触问题研究进展评述

针对土与结构相互作用研究中的土-结构界面接触问题,本文从界面接触力学特性及界面接触模拟两个方面的研究展开评述.分析了接触面(带)的力学特性和变形分布规律方面的试验方法和取得的成果,讨论了现有试验方法的不足;随后,对土-结构界面接触行为的两类模拟方法--接触面单元方法和接触力学方法进行了讨论;最后提出了今后工作的重点.      

土塑性力学的建立与发展

土塑性力学是现代塑性理论在土力学中应用的一门新兴学科.本文回顾了近30年来土塑性力学的形成和发展,并介绍了它的主要内容.      

土-地铁隧道动力相互作用模型试验分析

本文对土的动力特性本构模型以及土-结构的接触面模型进行了较详细的探讨,最后分别选用非线性等价粘弹性模型和Ramberg-Osgood模型。分析表明,在进行模型试验设计时,不仅材料要满足相似性原理,而且在设计边界条件和地震波输入时也应以上述模型为参照。通过对一圆形隧道的地震反应分析,表明拱顶处的最大动应力是圆形隧道出现裂痕的主要原因,进而分析了孔隙率对结构横向变形的影响,分析结果与实际工程情况较为吻合。本文的研究成果可为地铁隧道的抗震设计提供一定的参考意见。     

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。

     

三种本构沥青凝土心墙土石坝特性

针对土石坝静力分析中常见的三种本构模型,即Duncan E-μ、Duncan E-B和双屈服面模型是.以沥青混凝土心墙土石坝为研究对象,建立了心墙坝的三维有限元模型,并考虑了沥青混凝土心墙和过渡料、混凝土基础间的接触关系,采用接触单元模拟相互间的变形和应力协调,对心墙和坝体的变形和应力应变特性进行了分析对比.分析结果表明对于坝体应力,三种模型计算结果无论是极值还是分布都比较一致.对坝体和心墙变形,三种模型的沉降量分布是一致的,但DuncanE-μ和E-B模型求得的最大沉降量更接近实际观测值;在心墙应力分析中,双屈服模型的计算结果比较均匀合理.     

饱和土和衬砌相互作用的圆形隧洞动力特性

利用 Darcy 渗透定律,通过引入衬砌和土体的相对渗透系数,建立了隧洞边界部分透水条件。将土骨架视为具有分数导数粘弹性本构关系的粘弹性体,基于 Biot 理论,通过界面连续性条件在频率域内给出了简谐轴对称荷载或流体压力作用下饱和粘弹性土-弹性衬砌系统耦合振动时饱和土、衬砌的位移、应力、孔隙水压力表达式,并通过算例分别考察了简谐轴对称荷载、流体压力作用下的分数导数阶数、材料参数比、渗透系数对系统的径向位移幅值 U 、孔隙水压力幅值P 的影响,结果表明：随着分数导数阶数和材料参数比的增加,系统的响应幅值逐渐减小;随着渗透系数κ的增加,轴对称荷载作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐减小,当κ大于100时,U 和 P 值无明显变化,流体压力作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐增大,当κ大于1时, U 和 P 值无明显变化。     

饱和土中爆炸波传播问题的数值模拟

应用流体弹塑性力学的框架描述了爆炸荷载作用下饱和土介质的本构模型,包括体积压缩关系和强度关系。应用LS-dyna软件分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题,并与先前完成的试验结果进行了对比,两者吻合较好。饱和土中爆炸波传播的一些特殊现象被重现,表明本构模型的描述是可行的。     

土遗址楠竹锚固界面力学行为与传力机理研究

楠竹锚固技术是处理纵向裂隙引起的大型土遗址稳定问题的重要手段,但此类锚固系统传力机理尚不明确,成为制约其科学化、规模化应用的瓶颈。通过现场拉拔试验研究锚固界面力学行为,将识别出的完全脱粘现象通过摩擦段后的零剪应力段进行表征,建立适用于此类锚固界面的修正三线型粘结-滑移模型。在此基础上,提出基于ANSYS中非线性弹簧单元的锚固界面力学行为数值模拟方法,系统研究锚固系统传力机理。最后,通过与试验结果的对比验证了该模拟方法的可靠性。结果表明：锚杆/浆体界面的滑移失效是锚固系统破坏的主要原因,此类界面微段的受力过程可分为弹性、软化、摩擦和完全脱粘四个阶段,随荷载增加锚固界面高应力区逐渐由加载端向锚固端转移,界面进入完全脱粘阶段后剪应力趋近于零,极限锚固力和有效锚固长度均存在临界值;第一锚固界面传递至第二锚固界面的剪应力非常有限,遗址土体应力处于较低水平。研究结果能够为基于“安全第一,最小干预”原则的土遗址文物锚固优化设计提供参考。     

结构与土接触面的弹黏塑性本构模型

基于Goodman接触面单元,在Clough——Duncan双曲线关系式的基础上改进了三元件宾厄姆体,建立了结构与土接触面的弹黏塑本构模型,使用ABAQUS的FRIC子程序对该模型进行了二次开发.通过改装的应力控制式结构——土接触面剪切试验仪进行了接触面长期剪切试验,验证了该接触面本构模型.研究结果表明：结构与土接触面的弹黏塑本构模型能较好地模拟接触面的力学特性和时间效应;正应力对结构与土接触面的力学行为影响较大,正应力越大,接触面的时间效应越显著.     

一种高强度钢的动态力学本构参数识别和数值模拟

分析了N-1钢在不同应变率条件下(10-3~103s-1)的应力应变关系实验结果,得到了N-1钢的应 变率强化特性。修正了平板试件断裂面中心的真实应力,并通过对真实应变与最小截面的厚度缩减率关系的 研究,得到了断裂面中心的真实应变,从而识别出了N-1钢的修正Johnson-Cook本构模型的参数。利用所确 定的本构关系模型,对N-1钢平板试件的杆-杆型冲击拉伸过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果较吻 合,验证了采用的修正的Johnson-Cook本构模型参数的实验识别方法以及数值模拟方法的正确性。     

Constitutive modeling of soil-structure interface through the concept of critical state soil mechanics

The behavior of soil-structure interface can be crucial to the overall response of a soil-structure system. The numerical simulation of soil-structure interaction problem requires proper modeling of the interface. The similarity between the behavior of soil and interface is first analyzed in the present paper. With this similarity, the concept of critical state soil mechanics (CSSM), which has been successfully used in the modeling of soil behavior, is used to develop a constitutive model for soil-structure interface in the framework of generalized plasticity. The model is capable of modeling strain hardening, softening, normal dilatancy and stress-path dependency of interface between sandy soil and structures during shearing. The effects of normal pressure as well as density of sand are captured in the model. The performance of the model is verified with various experimental results. The unified modeling of the behavior of interfaces with different roughness, different density of soil and different normal pressures using the concept of CSSM is also successfully attempted.     

土—结构相互作用对高柔结构风振响应TMD控制的影响

文中研究了土－结构相互作用对高层,高耸结构风振响应TMD控制的影响,讨论了结构不同基础类型和不同地在土介质对TMD风振控制效率的影响,数值结构表明,土－结构相互作用对风振响应TMD控制的影响不同于对地震响应TMD控制的影响。     

Critical state shear behavior of the soil-structure interface determined by discrete element modeling

The interface between soil and structure can be referred to as a soil-structure system, and its behavior plays an important role in many geotechnical engineering practices. In this study, results are presented from a series of monotonic direct shear tests performed on a sand-structure interface under constant normal stiffness using the discrete element method (DEM). Strain localization and dilatancy behavior of the interface is carefully examined at both macroscopic and microscopic scales. The effects of soil initial relative density and normal stress on the interface shear behavior are also investigated. The results show that a shear band progressively develops along the structural surface as shear displacement increases. At large shear displacement a unique relationship between stress ratio and void ratio is reached in the shear band for a certain normal stress, indicating that a critical state exists in the shear band. It is also found that the thickness and void ratio of the shear band at the critical state decreases with increasing normal stress. Comparison of the DEM simulation results with experimental results provides insight into the shear behavior of a sand-structure interface and offers a means for quantitative modeling of such interfaces based on the critical state soil mechanics.     

用ABAQUS软件处理管土相互作用中的接触面问题

采用ABAQUS软件处理管土相互作用中的接触面问题，利用ABAQUS软件中的主控-从属接触算法，使管道和海床形成一个接触对；并且建立了管土系统有限单元模型．海床土体分别采用非线性弹性模型、多孔弹性模型、Ramberg-Osgood塑性模型对管土系统进行计算通过分析计算，得到了管道沉降量与管重间的关系，以及由于管道沉陷而形成的土体楔形，土体楔形的存在，增加了管道的稳定性．计算结果和有关试验结果相符合，说明采用该软件进行管土相互作用问题分析是可行的．     

A parallel monolithic algorithm for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems

A novel parallel monolithic algorithm has been developed for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems. The governing incompressible Navier–Stokes equations for the fluid domain are discretized using the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation‐based side‐centered unstructured finite volume method. The deformation of the solid domain is governed by the constitutive laws for the nonlinear Saint Venant–Kirchhoff material, and the classical Galerkin finite element method is used to discretize the governing equations in a Lagrangian frame. A special attention is given to construct an algorithm with exact total fluid volume conservation while obeying both the global and the local discrete geometric conservation law. The resulting large‐scale algebraic nonlinear equations are multiplied with an upper triangular right preconditioner that results in a scaled discrete Laplacian instead of a zero block in the original system. Then, a one‐level restricted additive Schwarz preconditioner with a block‐incomplete factorization within each partitioned sub‐domains is utilized for the modified system. The accuracy and performance of the proposed algorithm are verified for the several benchmark problems including a pressure pulse in a flexible circular tube, a flag interacting with an incompressible viscous flow, and so on. John Wiley & Sons, Ltd.     

ANALYSIS OF INTERPHASE MECHANICAL BEHAVIOR WITH INTERFACE ELEMENT IN THE COMPOSITE MATERIALS

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固体炸药爆轰与惰性介质相互作用的一种扩散界面模型

提出一种保持热力学一致性的扩散界面模型,用来数值模拟固体炸药爆轰与惰性介质的相互作用问题。基于混合网格内各组分物质间可以达到力学平衡状态而不能达到热学平衡状态的假设,由混合网格能量守恒以及压力相等条件,推导出每种组分物质的体积分数演化方程。由此获得的扩散界面模型包括组分物质的质量守恒方程、混合物质的动量及总能量守恒方程,同时包括组分物质的体积分数演化方程和混合物质的压力演化方程。该扩散界面模型的主要特点是考虑了化学反应以及热学非平衡的影响。提出的扩散界面模型在物质界面附近不会出现物理量的非物理振荡现象、适用于任意表达形式的物质状态方程以及任意数目的惰性介质。

     

Some applications of the singular perturbation method to the bending problems of thin plates and shells

This paper presents a review which tackles some nonlinear bending problems of plates and shells in a unified way by means of the technique of undetermined small parameters.     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

Treatment of the small time instability in the finite element analysis of fluid structure interaction problems

In this paper, the fluid–structure interaction problem in mechanical systems in which a high frequency vibrating solid structure interacts with the surrounding fluid flow is considered. Such a situation normally appears in many microelectromechanical systems like a wide variety of microfluidic devices. A different implementation of the residual‐based variational multiscale flow method is employed within the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation. The combination of the variational multiscale method with appropriate stabilization parameters is used to handle the so‐called small time step instability in the finite element analysis of the fluid part in the coupled fluid–structure interaction problem. The capability of the employed approach has been demonstrated through finite element study of a benchmark example and FEM simulation of two different mechanical micropumping devices. High frequency vibrations of the solid membrane are used to derive the fluid flow in these micropumps. Results of FEM simulations are shown to be in good agreement with available experimental data.Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.