考虑流固耦合的水中结构物地震反应方法

基于运动控制体的雷诺输运定理,采用任意拉格朗日-欧拉描述推导控制流体运动的Navier-Stokes方程;提出考虑流固耦合效应的水中结构物地震反应计算方法,并以水中垂直板的地震反应为例,阐明流固耦合体系的求解方法.分析地震动频率和水深对场地土-结构-流水构成的流固耦合系统动力反应的影响,结果表明:采用不可压缩流算法的Navier-Stokes方程能够合理模拟流场的位形变化,并保证流固耦合计算的收敛;考虑流固耦合作用使得结构地震反应幅值明显增大,并使频谱特性发生改变;水深对流固耦合效应的影响较大,并具有明显的非线性特征.     

基于SiPESC平台的机翼流固耦合分析

基于开放式有限元系统SiPESC. FEMS,构建了机翼流固耦合分析的程序框架。程序框架通过研发流固耦合界面数据交换模块来调用结构和流体分析功能.在流固耦合分析中采用高阶面元法对流体计算以获得飞行器机翼上各点处的压力系数。耦合界面交互采用径向基函数插值算法进行流固两相的载荷和位移的双向插值。进一步通过调用结构分析模块计算结构响应更新结构构型,实现机翼流固耦合整体流程分析。计算过程中各分析模块之间的数据传递均是基于大规模工程数据库SiPESC. ENGDBS来实现的。通过算例测试验证了在SiPESC平台上进行流固耦合分析的可行性。     

膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究

对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。     

降阶模型在膜结构风振流固耦合分析中的应用

针对膜结构风振流固耦合计算的强耦合分区法应用降阶模型,将降阶模型应用于耦合迭代运算过程.建立了流体域和结构域的降阶模型,给出了采用降阶模型进行强耦合分区计算的步骤.为了实现强流体域和结构域的强耦合,通过在耦合迭代过程中采用降阶模型的方式获得流体及结构的雅克比行列式,在每一时间步内采用降阶模型计算强耦合求解方法中的流体和...     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日一欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier—Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明：流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

多种海啸触发类型的流固耦合数值模拟初步研究

利用有限元流固耦合理论来模拟二维、三维海啸触发阶段的动态过程,将海啸可能的触发类型分离出来独自模拟分析,并解决了触发过程中,流固计算可能失效而面临的问题,从形变图,压强图以及能量图多侧面地表达出流固耦合在海啸触发模拟中的可行性.由于不需要进行浅水波近似,因此所使用的计算方法和结果可推到较广的使用范围.     

流固耦合作用下流体对管道抗震性能的影响分析

在地震荷载作用下输液管道的破坏受到流体的影响，因此，流固耦合作用下的管道破坏数值模拟是分析管道抗震性能的关键。通过管道破坏分析的流固耦合有限元建模，实现了流固耦合作用下地震荷载加载和断层活动约束，介绍了建模过程以及模型参数选择，分析了流固耦合作用下管道的抗震性能及管内介质和流速等参数对管道破坏的影响。依据计算结果，管道内输送介质密度和流速越大，管道越易破坏，故在地下管道设计中应充分考虑管内介质的密度与流速。针对计算结果，为输液管道抗震设防提出了几点建议。     

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。     

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.     

地震荷载下考虑管内有压流体的PCCP耦合动力分析

PCCP（预应力钢筒混凝土管）因其优良性能被广泛应用于我国水利水电及市政给排水等生命线工程的建设中。现有研究多为静力分析,少有学者对PCCP管内流体的动力相互作用开展研究。本文利用ABAQUS对PCCP结构及其管内流体在地震荷载下的双向流固耦合作用进行分析,开展了考虑流固耦合与未耦合条件下管道各个结构层的动力响应。进一步计算了考虑内水压力、地震荷载大小和管内水流速度等条件变化对管道受力变形特性的影响。结果表明:流固耦合模型能更加真实地还原和模拟在役PCCP的工作状态;内水压力显著影响管道的受力状态,PCCP结构随着输水压力的增大逐步由受压状态向受拉过渡,且受拉区域和拉应力峰值逐渐增大;管内水流速对应力场影响很微弱。     

波浪与地震对小尺度桩柱的共同作用研究

本文以某一实际平台桩柱为例,对其进行波浪作用以及波浪与地震共同作用研究。依据我国海港水文规范JTJ213-98、DNV的环境条件和环境荷载规范以及API的相关规范[1-3],对波浪荷载的计算采取不同的简化处理方式,从而分析流体的附加质量效应和流固耦合效应在不同工况下对桩柱结构响应的影响,并分析了该影响随工作水深和波浪参数的变化规律。结果表明,两种工况下流体的附加质量效应和流固耦合效应对桩柱响应的影响趋势并不相同,当进行波浪与地震共同作用分析时,有必要考虑流体附加质量效应和流固耦合效应对结构响应的影响。     

无矩阵迭代法在膜结构风振耦合分析中的应用

提出在采用浸入物体法（IOM）对膜结构和空气流体建模时,可以采用带有预定条件的无矩阵Newton-Krylov迭代算法求解浸入物体法,并引入了预定条件矩阵。将提出的无矩阵迭代方法应用于一双坡型膜结构的风振耦合分析中,得出了结构的风压和风速分布,并对带有预定条件和不带预定条件的无矩阵迭代算法进行了对比。结果表明,将带有预定条件的无矩阵迭代算法应用于膜结构风振的耦合分析中,可以得到准确结果,并使计算效率大大提高。     

处于海洋环境的桩柱在瑞利波作用下的响应

本文以一海洋深水环境桩柱为例,考虑到海洋地基为两相饱和土介质,基于Biot两相饱和多孔介质理论,通过数值算例分析了饱和介质中瑞利波加速度、位移分布规律并与单相弹性介质地基条件下进行了对比,结果表明,瑞利波主要作用于地表附近且振动幅度随深度衰减很快,饱和地基下的瑞利波影响深度要大于单相弹性地基,在瑞利波地震作用下,考虑两相饱和介质下的桩柱位移响应大于单相弹性介质地基。并且由于桩柱处海洋深水环境,本文对环境水体对桩柱振动响应的影响进行了研究,结果表明,流固耦合效应可明显降低桩柱运动响应,在海洋深水环境地震响应分析时,有必要考虑饱和地基以及流固耦合效应对桩柱运动响应的影响。     

核电结构PCS水箱液动压力分析等效模型

中国核电厂抗震设计规范推荐采用的Housner模型不适用于复杂形状核电储液结构的流固耦合分析。对于AP1000和CAP1400核电站屏蔽厂房顶部非能动安全壳冷却系统重力水箱(简称PCS水箱),基于圆柱形水箱的Housner等效质量-弹簧模型,通过引入水箱体积修正参数,提出PCS水箱的三维等效质量-弹簧模型。采用有限元软件ADINA建立水箱结构流固耦合整体有限元模型以进行模态分析,计算分析PCS水箱和对应环形水箱在不同尺寸和液体深度条件下的液体晃动自振特性。对比整体有限元模型与三维等效质量-弹簧模型计算结果发现,提出的PCS水箱三维等效质量-弹簧模型能给出其内液体晃动各阶振型的液动压力合理估计值,适用于具有复杂形状的PCS水箱液动压力分析。本文的等效模型方法可推广应用于其他复杂形状水箱的液动压力分析。     

核幔耦合对地球自由核章动的激发影响

地球自由核章动（FCN）是地幔与液核相互作用的重要动力学现象,其激发机制涉及地表流体层、地幔和地核等圈层之间的耦合,此前研究多利用地表流体层角动量数据单独研究其对FCN的激发,对核幔耦合的影响考虑不足.本文基于角动量守恒理论分析了核幔耦合对FCN周期及振幅的影响,并结合多个大气及海洋角动量函数时间序列首次估算了核幔耦合在FCN激发过程中的贡献.结果表明核幔耦合对FCN周期产生的固定和时变影响对FCN激发的作用均不可忽视,尤其时变影响可达几十个微角秒,对于进一步解释FCN时变特征非常重要;核幔耦合对FCN振幅的直接影响是地表流体层的激发与实测FCN不相符的主要原因,黏滞、电磁和地形等耗散耦合的存在对地表流体的激发振幅有67%左右的减弱效果.     

Cavitation in fluid-structure response (with particular reference to dams under earthquake loading)

The paper presents a general procedure for dealing with coupled fluid-structure interaction under dynamic load. This incorporates a facility for dealing with a cavitating fluid and is based on the Newton displacement potential. Several solutions are obtained for two-dimensional gravity dam problems illustrating the effects of cavitation on earthquake response and blast loading.     

A coupled computational method for multi-solver, multi-domain transient problems in elastodynamics

This work presents an efficient and stable methodology for the coupling of Finite Element Methods (FEM) and Boundary Element Methods (BEM) that is independent of the particular solver and allows for independent temporal discretizations among solvers. The approach satisfies explicitly compatibility conditions and equilibrium of forces at the contact interfaces. Although the proposed approach has been developed in view of the soil-rail-vehicle dynamic interaction problem in High Speed Rail applications, it is expressed in a general form applicable to any multi-domain, multi-phase transient problem. The method development and formulations are presented in detail. Verification and application studies demonstrate the accuracy, efficiency and versatility of the method for the direct time domain solution of dynamic problems including structure-structure interaction and soil-structure interaction. The proposed approach demonstrates high accuracy and efficiency to that of direct coupling solutions and more rigorous methods.