各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明：(1) 对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2) 对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。     

球面波加载下黄土线黏弹性本构关系

采用0.125 g TNT当量的微型炸药球作为爆炸源,利用在Φ1 370 mm×1 200 mm黄土样品180～1 280 m.kt-1/3范围内实测球面波径向粒子速度数据为基础,结合强间断波相容条件及变模量本构模型假设,反演得到黄土的弹性模量E=(1.927±0.216)GPa、体积模量K=(1.284±0.144)GPa及剪切模量G=(0.771±0.086)。把黄土视为线黏弹性ZWT(朱-王-唐)材料进行数值模拟,以实测粒子速度幅值vmax、位移幅值umax及对应时刻作为数值模拟结果的对比参数,定义了误差函数,其极小值对应的松弛剪切模量GM=0.13 GPa、松弛因子θM=21μs,将GM、θM作为黄土黏弹性本构参数的描述对球面波在黄土中的传播进行了数值模拟,结果表明:模拟得到的粒子速度曲线与试验曲线吻合较好,粒子速度幅值vmax、位移幅值umax与试验结果的最大偏差分别为8%、6%;粒子速度、位移幅值对应时刻与试验结果的最大偏差分别为1%、5%;数值模拟得到不同比距离处的径向应力σr、切向应力σθ、径向应变εr、切向应变εθ与基于强间断及变模量模型假设得到的结果具有较好的一致性。     

考虑地基辐射阻尼的结构静动综合响应计算

推导了便于工程应用的底边界同时入射三向地震波时地基底边界和四个侧边界相应于黏弹性边界的地震动输入公式;对目前静动力分析中边界条件不统一的解决方法进行了综述,分析了其合理性;由工程实例可以看出,由基本方法求得的结构最大主应力较直接用黏弹性动力边界求解静力问题的方法更加接近实际,而最大主应力往往控制着材料的损伤破坏,因此,虽然操作过程比较麻烦,但仍建议用基本方法求解结构的静动综合响应。     

大吨位双出杆粘滞阻尼器开发的数值模拟与实验研究

阐述了大吨位双出杆粘滞阻尼器开发的数值与实验研究结果.基于硅油的幂律特性,通过对硅油介质的流态分析,介绍了非牛顿幂律流体模型对粘滞阻尼器耗能和阻尼出力的影响,与粘滞阻尼器的分析模型和计算公式.在商用流体软件平台上利用动网格技术对样品粘滞阻尼器阻尼出力进行了计算;综合实验研究结果,最终确定了大吨位土木用粘滞阻尼器设计的经验方法.另一方面,实验曲线和数值曲线基本吻和,验证了通过数值手段对粘滞阻尼器的出力特性进行预分析,从而提高开发精度、指导产品设计和缩短产品的开发周期的可行性.     

Optimum geometry of tuned liquid column-gas damper for control of offshore jacket platform vibrations under seismic excitation

In this study, the effectiveness of a tuned liquid column-gas damper, TLCGD, on the suppression of seismic-induced vibrations of steel jacket platforms is evaluated. TLCGD is an interesting choice in the case of jacket platforms because it is possible to use the structural elements as the horizontal column of the TLCGD. The objective here is to find the optimum geometric parameters, namely orientation and configuration of vertical columns, length ratio, and area ratio of the TLCGD, considering nonlinear damping of the TLCGD and water-structure interaction between the jacket platform and sea water. The effects of different characteristics of ground motion such as PGA and frequency content on the optimum geometry are also investigated and it is observed that these features have some influence on the optimum area ratio. Finally it is observed that pulse arrangement of ground acceleration is one of the most important parameters affecting the efficiency of a TLCGD. In other words, it is found that the TLCGD’s capability to reduce the RMS responses depends only on the frequency content of the ground acceleration, but its capability to reduce the maximum responses depends on both the frequency content and the pulse arrangement of the ground acceleration.     

基于Kelvin-Voigt黏弹性骨架的含非饱和流体孔隙介质BISQ模型(英文)

本文综合考虑了在波传播过程中孔隙介质的三种重要力学机制——"Biot流动机制一squirt流动机制-固体骨架黏弹性机制",借鉴等效介质思想,将含水饱和度引入波动力学控制方程,并考虑了不同波频率下孔隙流体分布模式对其等效体积模量的影响,给出了能处理含粘滞性非饱和流体孔隙介质中波传播问题的黏弹性Biot/squirt(BISQ)模型。推导了时间-空间域的波动力学方程组,由一组平面谐波解假设,给出频率-波数域黏弹性BISQ模型的相速度和衰减系数表达式。基于数值算例分析了含水饱和度、渗透率与频率对纵波速度和衰减的影响,并结合致密砂岩和碳酸盐岩的实测数据,对非饱和情况下的储层纵波速度进行了外推,碳酸盐岩储层中纵波速度对含气饱和度的敏感性明显低于砂岩储层。     

静力分析方法在消能减震结构分析中的应用

由于受制于计算机软件中的消能减震单元,目前尚无较适用的静力分析方法应用于消能减震结构在多遇地震和罕遇地震下的结构分析。有关含消能减震部件的结构分析,主要以动力时程分析和动力弹塑性时程分析方法为主,因此具有较大的难度和需要很长的分析时间。为了推进结构消能减震于工程项目上的应用,缩短分析上的繁杂程序,依据《建筑抗震设计规范》,配合美国FEMA 356规范,提出一套消能减震结构在多遇地震下的等值线性分析方法和在罕遇地震下的静力非线性推覆分析方法（pushover analysis）。此方法适用于位移型阻尼器和防屈曲支撑,不但可使消能减震结构的结构分析简化,并可避免计算机软件的限制,且在不含阻尼器元素的计算机软件上,依然可做消能减震结构在多遇地震和罕遇地震下的结构分析。并介绍了此分析方法在消能减震结构的结构分析中的应用,以证明其可行性。     

饱和砂岩滞弹性弛豫衰减机理的探索

本文采用从法国引进的Metravib热机械分析仪用正弦波加载方式,首次对四种不同孔隙度的饱和砂岩的衰减进行了实验研究,在5~400 Hz的频率,-50 ℃~100 ℃的温度范围获得衰减的热弛豫规律,由此求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和弛豫时间是处在原子和电子的激活能和弛豫时间之间.可见,在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是原子、电子.并得出随孔隙度增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动速率加快,弛豫时间缩短.在交变应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体,由于内部结构复杂,损伤、缺陷广布,弛豫衰减是普遍存在的.饱和砂岩中存在的晶界、相界等许多缺陷,以及缺陷间的相互作用,比如饱和岩石中的饱和液体与岩石骨架之间的作用等等都可以产生弛豫衰减峰,弛豫过程还受晶界上原子扩散所控制.由于饱和岩石中的种种缺陷、相界等等导致上述矿物颗粒或晶界之间的多重弛豫,才使弛豫衰减峰变宽,分布宽度增大.用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理,很自然地将其宏观衰减特征与微细观结构紧紧联在一起.衰减及其机理的研究既具有科学意义,对地球物理勘探又具有实用价值.     

南北地震带北段强震破裂空段的地震危险性研究

综合活动构造与重要活动断裂带的历史及现今强震震源区或破裂分布等资料,南北地震带北段存在长期缺少MSge;7.0地震的破裂空段．为了考察这些空段的地震危险性,首先采用Burgers体黏弹介质模型,计算周围有记载以来的历史强震在空段引起的库仑应力动态演化;其次结合背景地震发生率,采用Dieterich模型分析历史强震对空段地震活动的影响,讨论了空段所在区域的地震发生概率．结果显示,南北地震带北段强震破裂空段的地震危险性程度自高到低依次是:东昆仑活动断裂带东段的若尔盖——九寨沟段、六盘山断裂带中南段空段、香山——天景山段裂中南段同心空段、天祝——大靖空段、西秦岭北缘断裂带中西段、西秦岭北缘断裂带东段．该结果可为南北地震带北段的地震危险性估计提供参考．      

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.