求解结构-无限地基动力相互作用的高阶透射边界频域方法

基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element method,SBFEM)对结构-无限地基系统进行了频域的动力相互作用分析。通过一种新的高阶透射边界对无限地基进行模拟,该透射边界是基于无限域动力刚度矩阵的连分式解形式,连分式的系数通过以动力刚度矩阵表示的比例边界有限元方程递推计算。通过数值算例验证了该高阶透射边界的收敛性,并与解析解进行了比较,表明该方法具有较高的精度。最后对重力坝-库水-无限地基系统进行了频域分析,将计算结果与无质量地基模型进行了对比。对比结果表明,所提地基模型计算的结果与无质量地基模型的计算结果相比降低约20%。该方法可以有效地进行二维和三维大型结构-地基相互作用分析。     

多次透射边界模拟成层介质中瞬态波动的精度分析

本文将对多次透射边界在瞬态波动模拟中的精度分析推广到介质中存在多个物理波速的情形，阐明了它模拟成层介质中瞬态波动的适用性，指出多次透射边界的误差随着透射阶数的增加而迅速减小，二阶透射边界已具有足够高的模拟精度。     

基于简谐波动模型的法向透射边界及其向任意波动的推广

基于外行简谐波动模型、多项式插值理论和具有解析表达式的外插序列,导出了N阶透射边界及其误差项与收敛的充分条件。利用外插序列的时空坐标满足同一直线方程的几何特征,完成了简谐波动N阶透射边界向任意外行波动阶透射边界的推广。依据外插序列的解析表达式,导出了后者误差项的近似表达式和收敛性的充分条件。N阶透射边界的主部与N阶多次透射公式相同,但误差项的表达式不同,精度与收敛性的分析方法与结果也不同。提出了与虚拟透射边界相关的频率放大倍数概念,认为它们是影响虚拟透射边界精度的关键因素。     

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。     

基于高阶双渐近透射边界的重力坝-层状地基动力相互作用分析

时域高阶双渐近透射边界能够同时模拟层状介质中行波和快衰波的传播,具有很高的计算精度和计算效率.本文将高阶双渐近透射边界推广应用到多层层状地基系统弹性波传播问题的模拟,采用广义特征值分解分析该透射边界的数值稳定性,通过移谱法消除导致数值不稳定的虚假模态.将高阶双渐近透射边界以超单元的形式直接嵌入到近场有限元方程,建立了有限元-高阶双渐近透射边界时域耦合分析模型,并将其应用到重力坝-层状地基动力相互作用分析.数值算例分析结果表明,该时域耦合分析模型具有很高的精度和计算效率,适用于实际重力坝工程的地震响应分析.     

场地地震波动模拟中透射边界稳定性问题研究

本文对场地地震波动模拟中透射边界的稳定性问题进行了一系列研究。对已有的透射边界稳定措施做了比较分析,并给出了不同措施的适用性。结合粘弹性边界的物理模型提出了一个新的消除透射边界飘移失稳的措施,参考高频滤波的思路探讨了一种新的消除透射边界葛频振荡失稳的措施,并用数值试验验证了这两种新的透射边界稳定方法的有效性。将显式行限元一有限差分方法结合透射边界的数值解法的计算结果与解析结果作对比分析,验证这弹一套数值解法的计算精度。利用二维模型模拟了自贡土层和山脊地形的场地效应,利用显戈有限元一有限差分方法结合透射边界这套数值解法进行数值模拟计算,应用汶川地震的实示强震观测记录来验证这套数值解法对于实际地震波动模拟的有效性。     

一种改善多次透射边界稳定性的措施

本提出在边界区设置粘性阻尼的方法，在保持多次透射边界精度的同时可以消除波动数值模拟中的高频振荡失稳现象，中就出平面波动情形分析了采取和未采取这一措施时多次透射边界的稳定性和精度，给出相应的稳定性条件，所得结果表明了这一方法的有效性，中的算例验证了分析结果。     

土—结构相互作用通用程序的改进

本文提出了用具有工程实用价值的透射边界替换通用程序ＦＬＵＳＨ中一致边界的方法。通过实例证明、二阶透射边界与一致边界具有相当的精度。改进后的程序ＷＭＮＳ－Ｆ１比ＦＬＵＳＨ具有更高的计算效率和实用性。     

多人工波速优化透射边界在谱元法地震波动模拟中的应用

将作者最近发展的多人工波速优化透射边界(记为ca j-MTF)应用于高精度谱元法的地震波动模拟中,并与经典的廖氏透射(MTF)边界、完美匹配层(PML)边界、黏弹性边界以及一阶旁轴近似边界进行了比较分析.结果显示:①ca j-MTF边界与MTF边界在形式上非常接近,它继承了后者公式简单、易于实现、精度可控、计算量低以及...     

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。     

透射边界在求解波源问题中的应用研究

针对应用透射边界求解波源问题的过程提出了一项简单易行的具体措施,即在试算一定时间长度的基础上通过相关处理获得对应于每个边界节点的人工波速,并应用于透射边界人工波速的设置中。数值实验证明,在波源问题的求解中采用这种方法选择人工波速,可以在不增加计算失稳风险的同时,提高数值计算精度。     

结构-土相互作用有限元解法及改造通用程序的初步结果

本文从实用观点出发简述了结构-土相互作用计算的有限元解法要点。文中重点讨论了具有工程实用价值的引入了透射边界的频域有限元解法。根据这一解法对结构-土相互作用分析的通用程序FLUSH进行了初步改造,并用实例论证了改造方案的可行性和效果。     

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。     

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.     

土-结构动力相互作用人工边界分析及试验验证

利用有限元软件Ansys二次开发语言apdl进行二次开发,将多次透射边界(MTF边界)和弹阻边界(V-S边界)添加到软件中,从而实现对土-结构动力相互作用问题中无限域场地的模拟。以野外大比例(1/2)土-箱基-框架结构试验模型的牵引释放自由振动试验(波源问题)和爆破震动试验(散射问题)数据为基础,通过有限元数值计算结果和试验结果的对比可知,施加了人工边界的土体模型可以较好地模拟波在无限域土体中的传播,有效地减少有限元计算模拟时的计算规模。同时多次透射边界在计算精度以及散射问题中地震波输入的便捷性方面要优于弹阻边界。     

采用显式有限元方法求解开放系统动力响应的主要环节和问题

分析了采用显式有限元方法求解开放系统动力响应的主要环节中影响精度和稳定性的因素及其相互关系,指出数值解的精度和稳定性是这些因素共同作用的结果。归纳了合理输入数字荷载应满足的条件以及系统离散化准则。基于有限元方法推导了吸收边界的一般表达式,并据此提出吸收边界和透射边界之间存在确定的函数关系,并不是两类独立人工边界的新见解。认为内域的阻尼稳定性和人工边界的近场稳定性是大型复杂开放系统动力响应数值方法研究和应用中的关键科学问题,并从应用的角度提出了解决问题的思路和看法。     

一种基于多项式外推的局部透射边界位移解(外行波为非平面波情形)

一般情况下,通过人工边界向外透射的波动常为非平面波。对于近场非平面波在人工边界上的透射问题,不能采用简单的平面波透射方法。本文针对近场非平面波在人工边界上的透射特点,分析了非平面波沿人工边界法向视波速的变化规律及其近场失稳机制,推导了适合近场非平面波的、人工边界点位移解的不等步距线性外推公式。     

透射边界高频失稳机理及稳定实现——P-SV波动

波动数值模拟的稳定性是获得可靠结果的前提.透射边界是一类具有高阶、高效等特点的人工边界,其引发的高频失稳是由内域格式和透射边界的不当耦合所致.本文针对P-SV波动有限元模拟中透射边界引发的失稳问题,基于GKS定理的群速度解释,通过对有限元和透射边界的频散分析揭示了数值失稳机理为透射边界和相邻内域格式支持了群速度指向内域的高频P波或SV波,波动能量将从边界进入内域引发数值失稳.同时,对比连续模型频散指出引发失稳的谐波是由有限元离散引入.本文采用修改的数值积分方法调整有限元刚度,以消除有限元中引发边界失稳的高频波动成分,从而稳定实现透射边界.理论分析和数值实验均表明本文稳定措施的有效性.     

一种基于多项式外推的局部透射边界位移解(外行波为平面波情形)

基于外行波局部法向透射概念，从多项式外推的角度，结合一维和广义二维几何解释，推导建立了外行波为平面波时，人工边界节点位移解的计算公式。对该位移解的精度进行了时域分析，论证了该位移解收敛于数值精确解的必要条件和线性外推位移解的精度与数值精确解匹配的充要条件。在此基础上提出了一次“精确”透射的概念和相应的数学方法，实现了该位移解逼近于数值精确解的优化计算。     

局部和全局边界条件的组合

时域局部人工边界是以行波概念为基础的,原则上不能用于模拟零频分量（消减运动）。Ｗｏｌｆ提出了能同时模拟零频分量和行波的双渐近－多向透射边界。本文指出,在这一组合中的双渐近边界的高频渐近项是不合理的,还查能降低模拟精度。据此,本文提出一种概念清楚、简便实用的组合方案－多次射透－静力边界,并通过数值试验对此方案进行检验。