局部平面波假定与优化傍轴透射边界

本文研究了透射边界及相关问题,指出在近源波动的一般情况下,沿人工边界法向传播的外行波动应为曲面波,但在人工边界点的足够小的时空邻域内,可以将曲平面波近似处理为平面波,亦即采用了局部平面波假定。认为对不同的人工边界点,局部平面波模型中的基本变量是时空变量,是影响透射边界近源精度和稳定性的决定性因素。建立了对物理视波速进行优化求解的数学模型,以及相应的1阶和2阶优化透射边界。     

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，采用平面波和远场散射波经验叠加来反映外行波传播，以经验参数反映人工边界外行波动的衰减和多角度透射特性。在人工边界处分别施加反映固相和液相介质传播效应的弹簧及阻尼来模拟人工边界以外的无限域介质对来自有限域的外行波的能量的吸收作用。从而形成一种流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界。数值算例表明：边界的精度和稳定性高于现有的黏性边界、黏弹性人工边界及一阶透射边界。     

局部透射边界在稳态波动有限元模拟中的应用

本文将局部透射边界和集中质量有限元技术结合起来形成一个模拟稳态近场波动的力学模型。这一模型中任一节点的运动仅与其邻近的节点耦联。这一特点导致稳态波动有限元模拟的一种十分简便和有效的算法。本文将以基底固定的弹性层内的出平面波动为例阐明这一算法,并用一种新的局部透射边界模拟行进波动。     

三维各向异性介质弹性波模拟的透射边界条件

在弹性波数值模拟中,为了压制人工边界反射,需要使用边界条件.本文从三维各向异性介质中弹性渡方程出发,在边界入射波为平面波的假设前提下,利用特征值分解以及坐标系旋转,导出人工边界处质点位移矢量计算公式,实现了在边界处为任意倾斜入射时的透射边界条件.并显示了边界条件的使用效果.     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上，将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中，探讨了PML应用的可行性，并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率，比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异，对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明， 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性，但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果，在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显；PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中，未见失稳等不良反应，比MTF人工边界有更好的稳定性；在合理选择参数的情况下，PML人工边界的运算量可接受.      

局部透射边界的精度

离散局部透射边界和旁轴近似的精度分析表明,它们所以缺乏透射大角度入射波的能力乃是源于采用单一的透射方向。本文提出将边界节点附近的入射波表示为一系列预定入射角的平面波的叠加以消除这一缺点。在这一思想上建立的局部透射边界能够在全部入射角范围内减小反射。通过模拟稳态SH波动简要地阐明了上述思想及其在建立高精度、稳定的局部透射边界中的意义。     

暂态弹性波分析中人工边界的研究

本文提出一种应用于有限离散模型计算暂态弹性波时人工边界处理的新方法——多次透射法。它的误差与(ΔX)~N同量级,N为透射次数,ΔI为离散模型的空间步距。初步数值结果表明它对近场弹性波有良好的透射能力。这一方法为研究三维波传播问题提供了新的前景。     

近场波动数值模拟稳定性问题分析

本文利用分析一维双曲型偏微分方程初边值问题数值稳定性的GKS定理的物理解释的推广，以出平面波动为例，分析了集中质量显式有限元方法及中心有限差分方法分别与多次透射公式简单结合构成的封闭数值求解系统的稳定性，并用数值试验进行了验证。旨在从概念上说明讨论人工边界稳定性时，必须与计算区域内的具体算法结合分析才有意义，单纯地说人工边界在数值计算中稳定或不稳定是不正确的。     

波动数值模拟中透射边界的稳定实现

从波动能量在计算区内累积增大的观点出发,通过简单的一维弹性波模型,系统地阐明了在近场波动数值模拟中透射边界两类数值失稳--"高频振荡"和"零频飘移"的机理:前者源于对波动数值模拟无意义的高频波动在人工边界上的放大和波在有限计算区内多次反射产生的反复放大;后者则源于透射边界允许零频和接近零频的分量不断进入计算区. 由此提出了稳定实现透射边界的完整方案包括两项简单措施:第一,在全部计算区内按文中建议的方法注入小阻尼,以消除高频振荡;第二, 给出一种具有明确物理意义的消除零频飘移的算子算法. 最后,提供了三维波源问题和散射问题的详细数值试验结果.     

透射边界高频耦合失稳机理及稳定实现——SH波动

就大型近场波动的高效数值模拟而言,稳定实现高阶人工边界是一个尚未圆满解决的问题.本文针对使用多次透射公式的SH波动集中质量有限元模拟,依据GKS定理的群速度解释,进一步阐明了人工边界与内域离散格式耦合所导致高频失稳的机理,即两者支持群速度指向内域的外行高频平面谐波,波动能量自发地从人工边界进入內域,从而导致失稳,而这类谐波是由集中质量有限元离散引入的.本文提出了消除此种耦合失稳的一种方法:通过修改有限元刚度阵来改变内域离散格式,并保证修改格式的精度不低于原有格式的精度.理论分析和数值实验表明此法能稳定实现透射边界.本文研究结果具有推广应用前景.     

3D viscous-spring artificial boundary in time domain

After a brief review of studies on artificial boundaries in dynamic soil-structure interaction, a three-dimensional viscous-spring artificial boundary （VSAB） in the time domain is developed in this paper. First, the 3D VSAB equations in the normal and tangential directions are derived based on the elastic wave motion theory. Secondly, a numerical simulation technique of wave motion equations along with the VSAB condition in the time domain is studied. Finally, numerical examples of some classical elastic wave motion problems are presented and the results are compared with the associated theoretical solutions, demonstrating that high precision and adequate stability can be achieved by using the proposed 3D VSAB. The proposed 3D VSAB can be conveniently incorporated in the general finite element program, which is commonly used to study dynamic soil-structure interaction problems.     

Characteristics of ground motion at permafrost sites along the Qinghai-Tibet railway

Based on 14 typical drilling holes distributed in the permafrost areas along the Qinghai-Tibet railway, the distribution of wave velocities of soils in the permafrost regions were determined. Using results of dynamic triaxial tests, the results of dynamic triaxiality test and time histories of ground motion acceleration in this area, characteristics of ground motion response were analyzed for these permafrost sites for time histories of ground accelerations with three exceedance probabilities (63%, 10% and 2%). The influence of ground temperature on the seismic displacement, velocity, acceleration and response spectrum on the surface of permafrost were also studied.     

土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入的一种新方法

为实现地震作用下土-结构动力相互作用问题的有限元模拟,需要在人工边界上完成地震动的有效输入,目前工程和科研中常用的地震动输入方法有两种:波动输入方法和振动输入方法。波动输入方法的模拟精度高,但实施上相对复杂且耗时,而振动输入方法处理简单,但模拟精度较低。针对应力型人工边界提出一种在人工边界上实现地震动输入的新方法,该方法通过对土-结构有限元模型中由人工边界节点及相邻节点组成的局部子结构施加自由波场位移时程并进行动力分析,从而直接获得可实现地震波动有效输入的等效地震荷载,然后在土-结构有限元模型的人工边界节点上施加等效输入地震荷载并完成动力计算,由此完成土-结构动力相互作用问题的地震动输入和地震反应计算。与原有波动输入方法相比,新方法避免了原方法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引起的附加力,以及需要根据不同人工边界面的外法线方向确定荷载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。采用均匀弹性半空间和成层弹性半空间一维地震反应算例初步验证新方法的正确性和可靠性。     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

随机地震动场多点激励下宽幅大跨桥梁结构地震响应研究

为了研究随机地震动场多点激励作用下宽幅大跨桥梁结构的地震响应,基于二维相干模型,考虑地震波非平稳性合成桥址各支承点的人工地震加速度时程波,采用多项式拟合法在时域内对各支承点处的人工合成加速度波进行校正,并对校正前后加速度波的响应谱进行比较校验;随后以某大跨自锚式悬索桥为例,利有限元软件中线性时程分析模块,将所合成的加速度地震波施加于结构,对比研究一致激励与随机地震动多点激励下宽幅大跨桥梁结构的地震响应。分析表明,考虑二维相干和地震波非平稳性合成的各支承点地震加速度时程波可采用多项式拟合法进行基线漂移现象的校正,同时应对修正前后加速度波的反应谱进行比较校验;对于大跨且横桥向支承点相距较远的桥梁结构应考虑横桥向地震波的非一致性。     

各向异性半空间中浅埋孔洞对地表 反平面运动的影响

本文采用复变函数方法研究了稳态水平剪切波(SH波)在各向异性弹性半空间中任意形状孔洞上的散射及其对地面运动的影响.在变换空间中构造出自动满足各向异性半空间水平表面上应力为零的散射波函数,并根据孔洞表面应力为零的边界条件,采用最小二乘法求解散射波函数的系数.用介质的各向异性性质来模拟地质条件,给出了SH波作用下含圆孔、椭圆孔和方孔的各向异性半空间表面位移幅值的数值结果,并分析了介质特性、孔洞的形状、埋深、入射波波数及入射角度等因素对地面运动的影响规律.数值结果表明:介质的各向异性对含有孔洞的半空间表面的地表位移具有显著的影响;沿一定角度的入射波在某一频段内所引起的地表位移幅值比各向同性介质的可能要大,且随着孔洞埋深的增加,地表位移的幅值逐渐减小.      

三维椭球形盆地对球面波的散射

针对三维沉积盆地对球面波的散射问题,发展一种快速宽频间接边界元方法(IBEM)。利用ANSYS建立求解模型,基于Intel-Fortran编译器编译相应的计算程序,对基岩半空间三维半椭球形盆地对球面波的散射进行了数值分析,着重探讨入射波频率、波源埋深、波源与不规则地形(沉积盆地)距离等参数对地震动特性的影响规律,计算方法适用于求解任意复杂形状的局部场地,实现对沉积盆地三维地震响应的频域精细求解。研究结果表明:随着入射波频率增大,沉积盆地相对半空间的放大效应越显著,且干涉效应越强烈;高频波入射时,由于盆地底部透射的体波和盆地内部由体波转换为的面波以及从盆地边缘处透射的体波相互叠加,次方向位移出现一定的边缘效应。位移频谱分析表明,沉积盆地在较低频率时,地表不同点位的主方向位移幅值基本相同;在较高频率域内,地表不同点位的位移频谱特性差别很大;球面波入射与平面波入射相比之下,位移幅值均有所降低。整体来看,随着膨胀波源与盆地水平距离增大,地表主方向最大位移幅值降低,地表次方向位移聚焦区域增加且分布更分散。     

基于黏弹性边界的P波斜入射波场分解方法精度比较

黏弹性人工边界以其概念清晰,稳定性高,精度良好的优点,在地下结构抗震的研究中已经得到了较为广泛的应用。在使用黏弹性边界进行地震动的输入时,需要把地震波转化为模型网格节点上的等效节点力,这个过程就要涉及到波场分解的问题。波场分解的方式可以不同,但不同的波场分解方式会得出精度不同的计算结果,而学界目前尚未就此达成一致。本文在前人研究的基础上,总结了3种地震波斜入射的波场分解方法,编制了相应的Python脚本来实现黏弹性边界和等效节点力的批量施加,并且以不同角度的地震波斜入射为例在同一有限元模型中计算以进行比较研究。结果表明计算精度与波场分解的方式密切相关:在模型边界上考虑的自由场波动叠加越完整,计算结果越精确。     

倾斜地层地震液化和滑移的有限元分析

应用饱和多孔介质动力学分析倾斜地层的土壤动力线性反应、液化和液化滑移问题，地下水位上的地层简化为单相介质层，饱和夹砂层看作是两相介质，水是可压缩的，采用双曲线非线性本构关系，考虑了砂土的剪胀性、刚度退化、滞回特性和土水相对运动等因素。基于土力学模型，建立了适用于分析非自由场地液化的动力方程组，基于是否考虑发生渗流问题，同时建立了两种离散形式：一种是以土骨架位移和水位移为未知量的矩阵方程，另一种是以土骨架位移、水位移和孔隙水压力为未知量的矩阵方程，初步分析了适用于多孔介质波动模拟的离散模型的人工边界问题，形成的方法将有助于问题的解决。     

Neural network estimation of duration of strong ground motion using Japanese earthquake records

The duration of strong motion has a significant influence on the severity of ground shaking. In this work, a combination of average values of four geophysical properties of site (Standard Penetration Test (SPT) blow count, primary wave velocity, shear wave velocity, and density of soil) including hypocentral distance of less than 50 km and magnitudes more than 5.0 from Japanese ground motion records were used for development of neural network model, to estimate duration of strong ground motion. Since majority of strong motion databases provide only average shear wave velocity for site characterization, an attempt has also been made to train the neural network with magnitude, hypocentral distance and average shear wave velocity as three input variables. Results obtained from this study show that the duration of strong motion is mostly dependent on average shear wave velocity rather than other geophysical properties of site.