流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行计算和分析;对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行对比研究,从而揭示孔隙流体渗流对两相介质动力反应性质的影响。计算结果表明：两相介质弹性动力反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性动力反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻;孔隙流体的渗流将对两相介质的弹性动力反应性质产生显著的影响。数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹性动力反应计算分析的一种有效的方法。     

基于传递矩阵的两相介质波动问题时域显式有限元方法稳定性研究

饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法具有条件稳定性。这类方法的稳定性可通过方法中动力反应时域递推计算格式传递矩阵传递因子的数值进行评估,传递因子的数值越小,方法的稳定性越好。针对饱和两相介质波动问题的两种时域显式有限元方法,基于其动力反应时域递推计算格式的传递矩阵的性质,在两相介质体系物理参数取值不同的条件下,对两种方法稳定性性质的差异进行了对比研究。结果表明：渗透系数的取值对两种时域显式有限元方法稳定性性质的差异具有较为显著的影响。当渗透系数取值较大时,两种方法的稳定性性质没有明显的差异;当渗透系数的取值较小时,两种方法的稳定性性质将表现出明显的差异,方法1的稳定性要优于方法2。     

饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应研究

饱和土场地-桩基-地上结构体系中,饱和土与结构分别具有不同控制方程和计算方法,造成有限元计算的不便。基于Client-Server技术,通过两个子程序分别计算饱和土和桩基-上部结构的动力响应,并利用土体和结构的共同节点传递两者间的作用力与位移,建立了一套求解饱和土-结构相互作用问题的交互式计算方法,其中饱和土采用基于u-p（其中u表示固相位移,p表示孔压）方程的全显式时域积分法求解,有效提高计算效率。最后,通过与Newmark法的数值结果进行对比,验证了提出方法的正确性,并说明该方法可以应用于求解饱和土场地-桩基-地上结构体系的地震响应问题。     

饱和土动力方程全显式有限元法在OpenSees中的实现与应用

饱和土的动力响应一直是土动力学重点关注的问题,尤其是在循环荷载作用下饱和砂土容易发生孔压升高、强度降低的液化现象。同时,采用有限元法求解尺寸较大的实际饱和土场地,巨大的自由度数往往造成整体系统的计算效率极低,制约着饱和土数值方法的发展。因此,基于已提出的u-p(u为固相土骨架位移,p为孔压)饱和两相多孔介质动力方程的全显式有限元法,将其嵌入Open Sees开放性平台中,并利用软件自带的饱和多孔介质单元和本构模型,实现了高效、显式计算饱和土的动力响应。通过计算二维弹性饱和土动力响应,与Newmark法的计算结果对比,两者结果吻合较好,验证了嵌入算法的正确性。将提出方法计算非线性自由场海床土的地震响应问题,有效模拟了海床土的液化过程和失效模式以及发生的侧向变形,同时说明了提出方法在计算效率方面具有的显著优势。     

亚塑性模型不同积分算法的数值实现

亚塑性模型是以Jaumann应力率张量及变形率张量描述的一种率型本构关系,本构关系在非线性有限元分析计算中具有关键作用,解决用应变增量求解应力响应的问题需要一个时间积分过程。针对亚塑性本构模型发展了自适应隐式和显式两种不同的积分算法,给出了误差控制的方法,同时推导了自适应隐式积分算法所需的一致切向模量,并采用了两个不同的单元,利用ABAQUS平台比较了两种积分算法的数值模拟结果。为了实现从ABAQUS/Standard到ABAQUS/Explicit的过渡,开发了UMAT-VUMAT接口,从而可以使已有的UMAT子程序用于大变形动力问题分析。算例分析证明了研究结果的正确性。     

精细积分法在地基震动响应分析中的应用

精细积分法是求解结构动力响应问题的一种高精度算法,将其应用于地基震动响应问题的求解。在不影响算法精度的前提下,采用节省存储量的矩阵向量乘法和精细积分级数解,降低了精细积分法的存储需求。开发了地基震动响应分析程序,并对一重大工程的建筑地基进行了震动响应分析,通过与著名有限元分析软件Nastran的计算结果进行对比,证明前述方法和程序是正确的。     

饱和粉砂土的动三轴排水试验与计算分析

饱和土在理论上一直以两相饱和孔隙介质模拟,利用Biot饱和孔隙介质动力方程纵波解耦的 (u为波动的振幅位移,p为孔隙水压)解答,结合排水的Somigliana表象积分,能够完成饱和土排水动力反应计算,结果也能在野外试验中验证。为了进一步深入研究饱和土排水的动力特性,设计了室内饱和土动三轴的排水试验,以不同状态饱和粉砂土排水状态下试验的结果,阐述了排水理论计算解答与动三轴试验测试结果的对比分析。最后指出修正后的理论解答与饱和粉砂土的试验测试结果较吻合,并在今后饱和土伴有排水的动力响应分析能在饱和土动力学问题研究中有所应用。     

单层非饱和多孔介质一维瞬态响应半解析解

基于Zienkiewicz提出的非饱和多孔介质波动理论,考虑两相流体和固体颗粒的压缩性以及惯性、黏滞和机械耦合作用,采用半解析的方法获得了一类典型边界条件下单层非饱和多孔介质一维瞬态响应解。首先推导出无量纲化后以位移表示的控制方程,并将其写成矩阵形式;然后,将边界条件齐次化,求解控制方程所对应的特征值问题,得到了满足齐次边界条件的特征值和相对应的特征函数。根据变异系数法并利用特征函数的正交性,得到了一系列仅黏滞耦合的关于时间的二阶常微分方程及相应的初始条件。在此基础上,运用精细时程积分法给出了常微分方程组的数值解。最后,通过若干算例验证了结果的正确性并探讨了单层非饱和多孔介质一维瞬态动力响应的特点。该方法可推广应用于其他典型的边界条件。     

非饱和土热湿耦合传输问题的数值解——理论及一维问题的解

本文介绍了求解非饱和土壤中热量和水分耦合传输问题的一种数值方法——积分有限差分方法(IFDM)。基于菲利普-迪弗瑞斯(Philip-De Vries)多孔介质热湿耦合流动模型,采用积分有限差分方法,编制了求解热湿传输问题的计算程序 HM1,该程序可用于求解各类工程中遇到的多孔介质一维传热传湿问题。文中还给出了计算结果与实测结果相比较的实例。     

成层土场地地震效应的时程算法研究

成层土场地是一类常见的建筑场地,覆盖土层的厚度、刚度、地层顺序等是影响地震动特性的主要因素,动力时程方法是分析此类问题的一个有效手段。但常规的动力时程方法计算求解复杂,不仅费时、费力,而且还可能因为算法的不 稳定性而无法得到预期的结果。为了获得一种高效简便的动力时程算法,根据地震波在层状弹性介质中的传播原理,采用 弹性波叠加方法,提出一种计算成层土场地地震响应的快速时程算法。该方法是一种级数逼近算法,无需剖分网格进行数 值法计算,极大地提高了计算效率。应用该算法进行了模型试算,并将计算结果与相关文献进行对比,验证了此算法的正确性。