沉箱与地基相互作用在浪冲击力下的动力分析

提出了6节点映射无限元，4节点双向映射无限元与有限元耦合，分析了一海岸防波堤在浪冲击力的动力特性。结果表明，用这一模型来离散无限域的远场，特别是研究动力问题，具有较好的经济性和可靠性。     

三维直流电阻率自然单元-无限元耦合数值模拟

直流电阻率数值模拟对于实测电阻率数据反演、解释地下真实电阻率结构具有重要意义.为解决复杂地电模型剖分以及处理截断边界时面临的困难,本文提出一种新的三维自然单元-无限元耦合法.该算法在自然单元区域灵活布设自然节点以填充复杂模型,并引入无限单元替代截断边界条件以促使刚度矩阵与电源位置无关.首先推导了稳定电流场基本方程;然后介绍了二、三维自然单元法及其形函数的构建过程;再引入三维多向映射无限单元并实现自然单元-无限元的有效耦合;最后通过4个数值模型,结合传统有限单元法、有限元-无限元耦合法以及COMSOL Multiphysics软件的计算结果,验证了算法的正确性及有效性.数值结果表明,本文所提算法满足精度要求,能有效减小计算区域,无需二次更新刚度矩阵,对复杂模型适应性强.     

多点输入的相邻结构—地基—土地震反应分析

本文采用样条函烽与半解析函数耦合法分析水平方向无限延伸的地基上，并对基岩处采用多点输入地震动的相邻结构－地基－土系统进行了分析，避免了人为的有限边界处理和有限边界地震动的处理，通过算例，得到了相邻结构－地基－土相互作用一些有意义的规律。     

埋地管线数值模拟中土体计算区域的选取问题研究

详细论述了动力无限元基本理论，提出了一种在非一致激励时无限元边界面上地震动的输入方法。在此基础上，考虑管线-土体之间的黏结滑移效应，采用动力无限元边界，建立了埋地管线的三维有限元-无限元耦合的精细化模型，对非一致地震波激励下埋地管线的动力响应进行了数值分析，对管线周围的土体计算范围的取值进行了系统研究，给出了管线周围土体的有效计算宽度W、有效计算长度L和有效计算深度H的取值范围。结果表明：W的取值与管径D紧密相关，H可取30～60 m,L应至少包含一个地震动的卓越周期段的波长，此分析结果可满足大多数工程需求。     

三维直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟

为解决传统有限元截断边界所引起的问题,本文提出了一种新的三维直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟方法.首先推导了无限元三维单元映射函数,然后提出了一种全新的最优的无限元形函数并与多种其他形函数进行了对比,随后将其与非结构化四面体有限元相结合,取代了传统的混合边界条件,使得电位在无限域内连续并在无限远处衰减为零,最终形成的左端矩阵稀疏对称并与场源位置无关.数值计算表明,该方法可以在近似测区大小的计算范围内得到与混合边界条件相当的计算精度,优于相同计算范围下齐次边界条件的解,有利于减少计算节点数;由于左端矩阵不随场源位置改变,有利于加速反演计算.     

考虑地面差动的相邻结构—地基—土相互作用

本文按地质条件在竖直方向将地基分为若干层，在每层只和样条有限元和半解析无限元分析建筑物下的有限区域和外围的无限区域，并引入了地面差动的概念，对地基－土系统上相邻结构的相互作用进行了分析，得到了结构之间间距变化对相邻结构相互作用影响的一些规律。     

基于Comsol的饱和多孔介质动力方程的数值模拟及应用

两相饱和多孔介质的动力响应问题在地震工程领域具有重要的研究意义,由于涉及到固相和液相的动力耦合,使得该问题的求解尤为复杂。本文利用Comsol在求解多场耦合问题上的优点,针对Biot饱和多孔介质u-U耦合形式下的波动方程特征,经过一系列微分算子运算和矩阵变换得到导数形式下的波动方程,基于Comsol Multiphysics提供的广义偏微分方程模式对变形后的波动方程进行求解,并把改进后的无限元边界应用到无限域动力问题的模拟中。通过与饱和多孔介质动力响应的解析解进行对比,验证模型求解技术的可行性和正确性,并在此基础上讨论饱和土地基中空沟隔振效果与饱和土体参数孔隙率、泊松比的关系。通过研究分析,可以为饱和土地基中空沟隔振设计提供一些有价值的参考。     

黄土场地地铁车站振动台试验方案设计与研究

为得到可靠的试验数据,对黄土场地典型断面地铁车站大型振动台试验方案进行设计与研究.根据试验目的和特点,提出黄土场地与地铁车站动力相互作用模型体系相似设计原则,并基于Bockingham的π定理对模型结构进行相似设计;通过室内试验研究模型材料配合比、力学特性及模型制作技术;采用有限元-无限元耦合数值建模方法,分析黄土场地...     

单桩复合地基上块体振动特性分析

本文利用轴对称有限元-无限元耦合模型和现场试验,系统地分析了搅拌桩、碎石桩的长度、直径和波速及其桩身缺陷对单桩复合地基上圆形块体竖向振动速度导纳特性的影响,结果表明块体的低频速度导纳幅值比共振频率更能稳健地反映出复合地基的性状变化。本文研究对进一步完善复合地基动测理论与技术具有参考价值。     

有限元-无限元耦合法在复杂金属矿体电阻率/极化率正演模拟中的应用——以庐枞盆地泥河铁矿床为例

金属矿电法勘探由于受限于探测深度和复杂矿体形态的解释,在深部矿产资源勘探中难受重视.安徽庐江泥河铁矿床是长江中下游成矿带中最主要的矿床类型之一,矿区复杂的地质结构和矿体形态以及矿体的大深度赋存状态给地球物理勘探特别是电法勘探带来了很大的挑战.为了研究电阻率/极化率法在大深度复杂金属矿体探测中的应用效果,本文以泥河铁矿某勘探剖面为例,在实际矿区的地质模型基础上通过简化建立了相应的地球物理模型,采用偶极-偶极装置及二极装置,对矿区进行直流电阻率/极化率数值模拟.提出采用有限元-无限元耦合法以解决传统有限元法截断边界所引起的问题.理论和计算结果表明:有限元-无限元耦合法相比传统有限元法,能显著提高计算的效率和精度.偶极-偶极装置的视电阻率断面图较二极装置能更好的区分不同地层及磁铁矿异常,而根据铁矿高极化特性,探测深度相对较大的二极装置的视极化率断面图能够更好的反映出异常体位置及范围.     

Analysis of ground vibrations due to underground trains by 2.5D finite/infinite element approach

The 2.5D finite/infinite element approach is adopted to study wave propagation problems caused by underground moving trains. The irregularities of the near field, including the tunnel structure and parts of the soil, are modeled by the finite elements, and the wave propagation properties of the far field extending to infinity are modeled by the infinite elements. One particular feature of the 2.5D approach is that it enables the computation of the three-dimensional response of the half-space, taking into account the load-moving effect, using only a two-dimensional profile. Although the 2.5D finite/infinite element approach shows a great advantage in studying the wave propagation caused by moving trains, attention should be given to the calculation aspects, such as the rules for mesh establishment, in order to avoid producing inaccurate or erroneous results. In this paper, some essential points for consideration in analysis are highlighted, along with techniques to enhance the speed of the calculations. All these observations should prove useful in making the 2.5D finite/infinite element approach an effective one.     

Seismic analysis of underground tunnels by the 2.5D finite/infinite element approach

A procedure for the seismic analysis of underground tunnels using recorded free-field earthquakes based on the 2.5D finite/infinite element approach is presented. The near and far fields of the half space are modeled by finite and infinite elements, respectively. Using the 1D wave theory, the nodal force and displacement on the near-field boundary are computed for each spectral frequency of the earthquake. Then, equivalent seismic forces are computed for the near-field boundary for the earthquake spectrum. By assuming the soil-tunnel system to be uniform along the tunnel axis, the 2.5D approach can account for the wave transmission along the tunnel axis, which reduces to the 2D case for infinite transmission velocity. The horizontal and vertical components of the 1999 Chi-Chi Earthquake (TCU068) are adopted as the free-field motions in the numerical analysis. The maximal stresses and distribution patterns of the tunnel section under the P- and SV-waves are thoroughly studied by the 2.5D and 2D approaches, which should prove useful to the design of underground tunnels.     

无限元法在深覆盖层土石坝动力分析中的应用

以复杂地质条件的西藏高原地区旁多水电站实际工程为背景,探讨了有限元法与无限元法在深覆盖层悬挂式防渗墙土石坝结构非线性动力分析中的差异,分析和比较了无限元法和有限元法在西藏高原旁多水电站土石坝结构三维模型地震动响应的计算结果,验证了引入无限元法模拟西藏高原地区地基中复杂地质条件下的无限域或半无限域问题的可靠性和精确性。结果表明:在西藏高原地区复杂地质条件下,无限元法相比有限元法能量弥散现象较为明显。通过分析得到了西藏高原具有深覆盖层坝体结构地震动响应的规律性分析结果,为无限元法在西藏高原地区此类工程中的应用提供参考。     

徐淮地区煤矿井筒破裂原因初探

本用震源力学理论和方法研究了徐淮地区从１９７０年以来构造应力场的方向和强度的时空变化过程。结果表明：以唐山地震为分界线，本区的应力场Ｐ轴取向由震前平均６１．８°变为震后平均７７．７°。如果将本区以宿北断裂为界分为南区和北区两个部分，则北区的Ｐ轴取向从６８．１°变７１．２°，而南区的Ｐ轴取向由６２．５°变到８３．６°，南区的变化明显于北区。     

电导率各向异性的海洋电磁三维有限单元法正演

本文提出了一种基于非结构化网格的海洋电磁有限单元正演算法.为了回避场源奇异性,文中选用二次场算法,将背景电阻率设置为水平层状且各向异性,场源在水平层状各向异性介质中所激发的一次场通过汉克尔积分得到.基于Coulomb规范得到二次矢量位和标量位所满足的Maxwell方程组,通过Galerkin加权余量法形成大型稀疏有限元方程,采用不完全LU分解(ILU)预条件因子的quasi-minimum residual(QMR)迭代解法对有限元方程进行求解得到二次矢量位和标量位;进而,利用滑动平均方法得到二次矢量位和标量位在空间的导数,由此得到二次电磁场;通过一维模型对算法的可靠性进行验证,与此同时,针对实际复杂海洋电磁模型,比较有限元模拟结果与积分方程模拟结果,进一步验证算法精度.若干计算结果均表明,文中算法具有良好的通用性,适用于井中电磁、航空电磁,环境地球物理等非均匀且各向异性介质中的电磁感应基础研究.     

2.5D direct‐current resistivity forward modelling and inversion by finite‐element–infinite‐element coupled method

To reduce the numerical errors arising from the improper enforcement of the artificial boundary conditions on the distant surface that encloses the underground part of the subsurface, we present a finite‐element–infinite‐element coupled method to significantly reduce the computation time and memory cost in the 2.5D direct‐current resistivity inversion. We first present the boundary value problem of the secondary potential. Then, a new type of infinite element is analysed and applied to replace the conventionally used mixed boundary condition on the distant boundary. In the internal domain, a standard finite‐element method is used to derive the final system of linear equations. With a novel shape function for infinite elements at the subsurface boundary, the final system matrix is sparse, symmetric, and independent of source electrodes. Through lower upper decomposition, the multi‐pole potentials can be swiftly obtained by simple back‐substitutions. We embed the newly developed forward solution to the inversion procedure. To compute the sensitivity matrix, we adopt the efficient adjoint equation approach to further reduce the computation cost. Finally, several synthetic examples are tested to show the efficiency of inversion.     

Conversion between solid and beam element solutions of finite element method based on meta-modeling theory: development and application to a ramp tunnel structure

In this study, a new method for conversion of solid finite element solution to beam finite element solution is developed based on the meta-modeling theory which constructs a model consistent with continuum mechanics. The proposed method is rigorous and efficient compared to a typical conversion method which merely computes surface integration of solid element nodal stresses to obtain cross-sectional forces. The meta-modeling theory ensures the rigorousness of proposed method by defining a proper distance between beam element and solid element solutions in a function space of continuum mechanics. Results of numerical verification test that is conducted with a simple cantilever beam are used to find the proper distance function for this conversion. Time history analysis of the main tunnel structure of a real ramp tunnel is considered as a numerical example for the proposed conversion method. It is shown that cross-sectional forces are readily computed for solid element solution of the main tunnel structure when it is converted to a beam element solution using the proposed method. Further, envelopes of resultant forces which are of primary importance for the purpose of design, are developed for a given ground motion at the end.     

有限元模拟中边界条件对计算结果的影响

本文从总电位法和异常电位法两个方面,分别就直流电法有限元中所采用的三类边界条件对计算结果的影响进行了分析,为采用合适的边界条件及选取最佳边界距离来提高正演精度提供了基础.结果表明,混合边界条件精度最高,可大大缩小求解区域而不影响计算精度,其次是Dirichlet边界条件精度较高,但测点越靠边界误差会越大,必须取足够大的边界区域,齐次边界条件的误差比较大,但如果采用非二极装置,通过电位差计算得到的视电阻率,由于无穷远边界对电位差的影响基本消除,视电阻率计算误差与混合边界条件下的接近,在反演中,为了节省计算时间,经常使用齐次边界条件进行有限元正演.