考虑流固耦合的渡槽结构三维碰撞反应研究

渡槽结构在强烈地震作用下邻梁间发生的碰撞现象易对其输水安全造成重大影响。采用薄壁梁段单元和三维接触-摩擦单元借助FORTRAN程序建立了考虑流固耦合的渡槽结构整体三维碰撞分析模型,并通过工程实例进行了多工况下的地震碰撞反应分析。结果表明,随着槽内水深的增大,渡槽结构的地震反应普遍增大,邻梁碰撞次数、碰撞力和相对转角也随之增大;槽内水体固结和考虑流固耦合的碰撞反应峰值相差不大,但时程曲线差异较大,某些部位水体固结的解会小于流固耦合解,使固结简化的处理偏于不安全。研究结果可供大型渡槽结构抗震设计参考。     

考虑流固强耦合效应的深水桥墩地震反应分析

基于任意拉格朗日-欧拉（Aribitrary Lagrange-Euler,ALE）描述的Navier-Stokes方程,建立了考虑流固强耦合效应（Fluid-structure interaction,FSI）的深水桥墩地震反应分析整体有限元模型,分析了流固强耦合效应对桥墩墩身相对位移、剪力和弯矩反应的影响,讨论了不同水位下的流固耦合效应及其影响。算例结果表明：流固强耦合效应将使墩身位移和内力反应明显增大,增大幅度与输入地震波的频谱特性存在相关性;输入地震波的位移峰值越大,流固耦合效应对位移反应的影响越大,对内力反应的影响越小;水位对深水桥墩内力反应的影响较对位移的影响显著。     

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。     

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。     

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。     

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题。以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型。以正弦位移波输入,考察结构材料模量、水流流速和水位、激振频率和位移幅值等多种因素,分析了结构表面作用的动水压力反应特征以及水流动力效应,探讨了水流动力效应的主要影响因素。结果表明：考虑流固强耦合作用时,结构表面作用的动水压力及其分布具有强烈的频率依赖性,高频激励可显著增强动水压力作用;由于结构周围流体具有一定的粘滞性及动载作用下具有较强的辐射阻尼效应,水流动力效应对结构的位移、内力反应均有一定的抑制作用;激振频率、水流流速和水位以及结构材料模量等因素,对水流动力效应均有一定的影响。     

流-固耦合作用对计算同震静态库仑应力变化的影响

传统方法计算同震静态库仑应力变化一般都是基于Okada的解析解,模型中不考虑流体对固体骨架力学行为的影响.但实际上,流体对固体变形有着非常重要的作用.为此,本文基于孔隙弹性理论,考虑流-固之间的完全耦合效应,针对三种典型的断层错动模型(走滑型、逆冲型以及正断型),分别计算静态库仑应力变化与传统算法之间的差别.计算结果表明:三种地震模型得到的介质孔隙压变化在空间的分布格局完全不同,走滑型地震产生的孔隙压变化图案在空间中呈正负相间的四象限分布,近场的静态库仑应力明显下降,流-固耦合作用对静态库仑应力变化影响较大.逆冲型和正断层型地震产生的介质孔隙压变化在空间的分布图案类似,但正负区域正好相反,孔隙压在逆冲型地震的震源区域上升,而在正断型地震的震源区域下降.同传统方法计算的库仑应力相比,逆冲型地震产生的介质孔隙压变化使得震源区的应力影区面积减小,这会触发更多的余震;而正断型地震产生的孔隙压变化则正好相反,增大了震源附近的应力影区范围,这样会降低该区域余震发生的概率.可见,介质的流-固耦合作用对计算库仑应力变化的影响不可忽视.因此,在利用库仑应力变化研究地震触发时,应考虑流-固耦合作用,使得库仑模型的预测结果更符合实际.     

考虑流-固耦合梁式矩形渡槽横向地震响应研究

根据豪斯纳尔（Housner）理论, 建立了考虑槽内水体与渡槽槽身流-固耦合的横向地震响应计算模型，分析了槽身断面深宽比变化对渡槽结构抗震的影响，并对某大型渡槽进行了多工况地震时程响应计算. 结果表明，在地震波作用下，渡槽槽内大质量水体对渡槽的横向地震响应有较大的影响， 但水体的晃荡作用有明显的TLD效应. 若将水体视为刚体， 质量全部附加到槽体上，将严重地夸大水的地震惯性力作用，且在渡槽槽身断面选择时应考虑深宽比对墩身地震响应的影响， 以减小地震力.      

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。     

大跨度柔性屋盖风振中流固耦合分析的强耦合方法

本文针对大跨度柔性屋盖风振中流固耦合作用的特点,介绍了一种计算黏性不可压缩流体与经历大变形非线性结构之间流固耦合作用的强耦合方法。本文将伪实体弹性模型引入到流固耦合问题的流体域中处理其变形,使流体和固体形成整体耦合,推导了计算流固耦合问题的整体式方程,并用Newton—Raphson法求解。文中首先用经典圆柱绕流证明了该方法的有效性,并利用该方法计算了一大跨度柔性屋盖风振的流固耦合问题,结果与已有文献中的结果符合良好。因此证明本文提出的强耦合方法用于计算大跨度柔性屋盖风振流固耦合问题是准确可行的。