基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。     

基于UPFs的三维紧支粘弹性边界单元

基于三维粘弹性人工边界理论,推导建立了类似于普通有限单元而具有粘弹性人工边界特性的三维紧支粘弹性边界单元,并结合UPFs二次开发的特点成功嵌入通用有限元软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题和内源问题算例,对上述建立的单元进行了验证,计算结果表明,该单元具有与等效弹簧-阻尼器单元相同的精度和稳定性,并且使用更为简便,可操作性更强,同时基于ANSYS强大的开发平台和非线性计算能力,尚可开展其他特殊用途单元的二次开发。     

粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究

本文引用一致粘弹性边界的概念,推导了与一致粘弹性边界等效的粘弹性边界单元,得到了粘弹性边界单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对比粘弹性边界单元阻尼系数不同取值的计算精度,给出了阻尼系数推荐取值。在输入地震动时,采用一种基于局部人工边界的子结构输入方法,实现了和波动法相同的输入效果,并且避免了复杂的应力计算和荷载作用方向判断等问题,应用更加方便。采用自由场的算例,比较了人工边界和不同输入方式的组合在SV波垂直入射时的模拟精度。为了说明边界单元的变形对计算结果的影响,提出了使用底边界输入位移幅值u_max和边界单元宽度b的比值ε=u_max/b作为变形指标,调节边界单元边长尺寸。通过算例给出了ε的推荐取值。最后,选取合适的ε后建立一个圆形孔洞散射场地模型,对散射场地模型的模拟结果验证了粘弹性边界单元和子结构输入方式应用于散射场地时仍具有较高精度。     

粘弹性人工边界在地震工程中应用研究综述

介绍粘弹性人工边界在结构-地基动力相互作用等问题中应用的研究现状。重点叙述了粘弹性人工边界在有限元计算中的实现方法及其在地震工程中的应用。粘弹性人工边界方法具有方便实现、计算精度高、稳定性强等优点,是解决近场波动问题的一种重要手段。随着粘弹性人工边界理论及其在有限元软件中的应用日渐成熟,其在工程抗震分析等方面将具有广阔的应用前景。     

基于ABAQUS的粘弹性边界单元及在重力坝抗震分析中的应用

考虑了2种不同的地震输入模型,即无质量地基模型和考虑辐射阻尼的粘弹性边界模型。以大型非线性有限元程序ABAQUS为平台,采用FORTRAN语言开发了用户单元子程序VSB_UEL.for,将粘弹性边界有效地嵌入到ABAQUS中。在尽量避免求解自由场的前提下,将离散的地震荷载转化为等效结点荷载,编写的计算程序可以方便地将等效荷载施加到人工边界结点上,并通过数值算例验证了粘弹性边界单元及波动输入程序的正确性,其求解效率和计算精度均令人满意,最后将该程序应用到在建的某水电站厂房坝段的抗震分析中。结果表明,与传统的固定边界无质量地基相比,考虑了粘弹性人工边界后,坝体的动力响应峰值减小了20%~40%;在进行结构动力响应分析时,考虑无限域地基的辐射阻尼影响是很有必要的。文中的用户子程序及波动输入程序很容易扩展至三维,为同类工程的抗震分析提供了简洁、合理的计算模式。     

波动数值模拟稳定性的若干问题

<正>为发展波动反演技术,需研究稳定、高效、高精度并在整个反演区具有一致精度的波动正演数值方法。本文在已有研究基础上,进一步研究波动数值模拟中高阶人工边界引发失稳的机理和稳定实现的措施。(1)从局域角度阐明人工边界引发的高频振荡失稳机理,边界和内域方程两者支持群速度指向内域的高频平面谐波。本文首先针对SH波动集中质量有限元模拟,揭示了失稳的高     

基于粘弹性人工边界的阶梯地形地震波动问题分析

针对阶梯地形地震波动问题,在粘弹性人工边界理论的基础上提出了1种新的"虚拟对称子结构体系"地震动输入技术。该技术不仅有效实现了对阶梯地形的波动输入,也解决了高差引起的输入地震荷载不一致问题。基于商业有限元软件对某典型算例进行动力时程数值分析,结果表明:所述方法具有较高的精确度和实用性;临空面位移幅值表现出显著的放大效应,且斜坡坡度越大,动力放大效应越明显。     

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。     

离散网格中的弹性波动(Ⅲ)——时域离散化对波传播规律的影响

本文采用一维模型分析了时域离散化后有限元离散网格中波动的基本特征。文中讨论了时域离散化对波动的频散、截止频率及寄生振荡的影响,分析了由时域离散化引起的在频率域及由空间离散化引起的在波数域波动解的多重分支现象,并指出在研究中应取其基本分支。文中也给出了考虑时间步长影响的有限元离散化准则。研究结果表明,从模拟连续模型的精度上看,时域离散化使集中质最有限元法优于一致质量法,前者可取较大时间步长。从计算精度、容易程度及经济性各方面衡量,集中质量法均比一致质量法可取。本文的工作不但对波动有限元模拟的参数选取有指导意义,同时也是分析时域人工边界稳定性的基础工作之一。     

非一致地震激励下综合管廊接头响应数值模拟

以横向有接头地下综合管廊非一致激励振动台试验为基础,基于有限元软件ABAQUS,建立了土-地下综合管廊结构数值模型,采用非线性弹簧单元模拟地下综合管廊的接头。分析了模型箱的边界效应、加速度响应、位移响应、以及管廊接头响应,有限元计算结果与试验实测结果进行对比分析,二者对比结果呈一致趋势,非线性弹簧单元可为生命线工程结构接头数值模拟提供了新思路。     

土-结构体系的混合约束模态法在ANSYS中实施研究

为了使提出的线性-非线性混合约束模态综合法能在商业软件中得到应用,本文对该方法在ANSYS软件中的运用进行了研究。对ANSYS中的超单元进行了深入分析,将线性-非线性混合约束模态综合法线性部分的处理作为超单元生成的过程,并根据基于势能判据的截断模态准则,运用Matlab自编了程序,求得子结构的截取主模态数,对存在局部非线性的土-高层框架结构相互作用进行了地震反应分析;进而对采用粘弹性人工边界与自由边界状况进行了比较,讨论分析了两种土体边界对线性-非线性混合的约束模态综合法自由度缩减的影响。     

无限域地基有限元分析的简化粘弹性边界

本文提出一种能用于无限域地基动、静力有限元分析的简单人工边界——粘弹边界，采用一层边界单元来实现。该边界弹簧部分采用弹性半空间Mindlin解计算，边界单元采用具有粘性阻尼的粘弹材料，通过确定合理的弹性模量、泊松比和粘性阻尼系数，不仅可以使边界单元能够模拟无限域远场的弹性恢复力，同时可以模拟粘性边界。通过算例分析，验证了该边界的有效性，它可用于土-结构动力相互作用分析。     

波动的有限元模拟——基本问题和基本研究方法

本文以紧凑形式给出了可以直接用于波动有限元计算的透射人工边界公式。为了阐明离散化误差和由人工边界引起的振荡失稳的基本概念,作者利用简单的一维模型详细分析了波动有限元模拟中遇到的这两个主要问题。基于在离散和连续模型中波动规律差别的分析,首先研究了离散化误差。这一研究导致对可能实现波动有限元模拟的频段的识别,以及采用一种兼备有限差和有限元优点的集中质量离散模型的建议。根据波在人工边界的放大效应和在有限离散模型中多次反射的概念在频域内阐明了这一常见的振荡失稳的机制。在此基础上提出了在保证数值计算精度的条件下通过对人工边界附近节点运动的修正来消除振荡失稳的措施。本文还以一维模型为例给出了人工边界条件的稳定性准则。     

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.     

大跨度斜拉桥复杂条件下地震反应分析

本文围绕大跨度斜拉桥结构的地震动输入方式、土-结相互作用以及桥梁动水作用问题展开了如下研究:(1)固定地基地震动输入方式下,采用引入一个‘时差’的方式考虑了行波效应对一座七跨全漂浮结构体系斜拉桥结构的影响,比较了地震行波激励与一致激励作用下桥梁结构关键部位动力响应,分析了两种激励方式下桥梁结构关键部位动力响应的差异,阐明了行波激励作用对桥梁结构动力响应的影响规律,给出了相应抗震措施的建议和方法。(2)针对多跨径大跨度斜拉桥等多波源问题,分别基于刘晶波考虑柱面衰减波和杜修力考虑平面波与远场散射波叠加的单点源粘弹性人工边界,利用波场叠加原理推导出一种多源加权集中粘弹性人工边界条件,给出了其弹簧系数、阻尼系数的计算公式,并通过二维偏心单点源、偏心多点源以及多散射源算例讨论了本文多源加权集中粘弹性人工边界的计算精度     

基于OpenSees的钢-混凝土组合梁钢框架抗震性能研究

基于OpenSees有限元软件编制了钢-混凝土组合梁纤维单元函数模块,与试验对比结果表明,该单元可以很好的模拟组合梁钢框架在地震往复荷载作用下的受力性能;以试验框架为基础,通过改变混凝土翼板厚度、配筋率、型钢梁高度、混凝土强度和钢材强度等影响因素,研究其对组合梁钢框架抗震性能的影响。研究结果表明:钢梁高度对钢框架的抗震性能影响最大,混凝土板厚度和钢材强度等级影响次之,配筋率和混凝土强度等级对结构的抗震性能影响很小。     

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.     

ABAQUS模拟土-结构相互作用时人工边界的选取

利用有限元数值模拟方法研究半无限空间中的动力响应问题时,人工边界的选取对于计算结果的可靠性与准确性有直接的影响。本文利用ABAQUS有限元软件计算土-结构地震响应,分析了选用不同人工边界对计算结果的影响。通过与远置边界自由场和土-结构模型的数值结果对比,讨论了底边界分别采用固定边界和黏性边界;侧边界分别采用固定边界、绑定边界、竖向约束边界和黏性边界时的计算误差。研究表明,利用ABAQUS软件计算土-结构动力相互作用影响时,黏性边界适合作为非刚性地基问题的底边界,固定边界适合作为刚性地基问题底边界。对于侧向边界当采用相对计算宽度较小模型时,固定边界和黏性边界无法再现自由场和土-结构响应;绑定边界和竖向约束边界可以模拟精确的自由场响应,并在动力土-结构作用分析中具有良好的性能。     

1995年阪神地震中大开车站破坏机理分析

1995年日本阪神地震中,神户市地铁车站的破坏被认为是首例直接受地震动破坏的地下结构。对大开车站破坏机理的研究现状进行了详细分析,以ABAQUS有限元软件为平台,采用粘弹性动力人工边界,等效荷载的地震波输入方法。土体和结构分别采用4节点平面应变减缩积分单元和梁单元,分别建立了仅考虑水平地震动作用和同时考虑水平和竖向地震动作用的土-结构有限元分析模型,分析了大开地铁车站结构的破坏机理。计算结果表明:竖向地震动的存在,会增大结构中柱的轴力,但对中柱的剪力和弯矩,以及结构其他位置的内力影响不大;大开车站的中柱主要是由于竖向振动引起柱子底端混凝土压碎破坏引起整个结构的破坏。     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上,将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中,探讨了PML应用的可行性,并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率,比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异,对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明, 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性,但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果,在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显;PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中,未见失稳等不良反应,比MTF人工边界有更好的稳定性;在合理选择参数的情况下,PML人工边界的运算量可接受.