基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟

为了解决黏弹性人工边界在实际应用过程中前处理时间长、不易实现等不足之处,提出了基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟方法。利用单元矩阵等效原理,采用薄层单元构造了等效黏弹性边界单元,并通过在大型通用有限元软件MSC Marc中设置等效黏弹性边界单元的参数属性,实现了黏弹性人工边界的模拟。三维均匀弹性半空间算例和某混凝土重力坝工程实例结果表明:采用等效黏弹性边界单元得到的计算结果与理论解、基于黏弹性人工边界的计算值非常相近,相对误差不超过1%。因此,采用薄层单元的模拟的黏弹性人工边界具有足够的精度,且施加方便,这为实际工程进行抗震分析提供了简便且精确的方法。     

考虑纵缝影响的重力坝静动力荷载组合作用分析

将时间显式积分动力有限元方法与黏弹性动力人工边界理论相结合,建立了有纵缝混凝土重力坝坝体-地基系统的非线性动力反应计算分析方法。同时,采用动力学方法求解静力作用效应,解决了含接触非线性问题的重力坝坝体静、动力荷载组合作用效应的计算问题。文中采用该方法分析了某混凝土重力坝的纵缝对坝体静、动力力学特性的影响程度,明确了纵缝的存在是影响坝体抗震安全性的不利因素,从而也验证了方法的可行性和有效性。     

深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法

当覆盖层地基深度相对其上土石坝坝高较大时,大坝动力分析计算中常将覆盖层地基截断,只取临近坝体部分覆盖层地基连同坝体一起作为计算分析对象。用黏弹性边界条件代替固定边界条件,可以消除或有效降低由于截断边界造成外行波无法透过边界而引起的计算误差。本文采用施加等效地震惯性力的方法实现黏弹性边界条件下的地震动输入、采用等效线性化方法反映覆盖层地基边界上黏弹性边界条件的非线性特性,建立了基于黏弹性边界条件的深厚覆盖层上土石坝动力反应分析方法。研究表明:施加等效地震惯性力的方法可以简单而有效地解决黏弹性边界条件下的地震动输入问题;固定边界条件大幅提高了坝体在地震作用下的动力反应水平,使得计算的结果偏于安全。     

基于黏弹性人工边界的拱坝动力响应分析

无限地基的辐射阻尼是影响拱坝地震反应的一个重要因素,无限边界的处理方法很多,其中黏弹性人工边界具有较高的计算精度和计算效率、较好的稳定性,同时程序容易实现。基于黏弹性人工边界的基本原理,以Ansys为计算平台,采用声学流体单元fluid30模拟库水,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响;并以锦屏一级高拱坝在El Centro地震波作用下的动力响应分析为例,对不考虑坝基辐射阻尼与采用黏弹性人工边界两种计算方法的计算结果进行比较。结果表明,采用黏弹性人工边界条件后的动力响应(动水压力、位移、主应力)均有所降低,坝顶拱冠处的应力分布更为合理,动力响应时程滞后;验证了该边界条件的吸能效果。该方法计算效率高、稳定性好,克服了透射边界与有限元相结合的方法存在高频失稳问题的缺陷。     

重力坝-基岩相互作用系统人工边界动力分析

以大型有限元软件ANSYS为平台集中比较了目前工程中广泛应用的几种人工边界条件,详细分析了半无限地基在各种人工边界以及不同频率的输入荷载作用下的动力分析结果的精确性和稳定性,对重力坝-基岩系统地震响应进行了数值分析。结果表明,人工边界的模拟精度与输入荷载的动力特性以及介质的弹性波速存在紧密的关系,当荷载激励频率较高时,相对较高的弹性波速才能保证人工边界的稳定性;黏弹性人工边界简单实用,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用。     

基于三维黏弹性边界的混凝土重力坝抗震性能分析

为进一步推动三维黏弹性人工边界在坝工抗震领域的研究和应用,更为方便地实现边界设置和波动输入方法与大型商业软件相结合,基于黏弹性边界基本理论及ANSYS有限元软件中的弹簧—阻尼单元,编制了三维黏弹性人工边界程序,该程序可有效求出边界结点的等效荷载,从而可以实现黏弹性边界单元的波动输入。然后,通过数值算例验证得出地表位移最大值接近入射波幅值的2倍,说明该程序的计算结果具有较高的精度。最后,将黏弹性边界单元及地震波入射方法应用到巴基斯坦玛尔水电站典型溢流坝段的抗震分析中,计算结果显示,在设计地震作用下坝体的动力响应峰值较固定边界下可减小20%~40%,说明考虑无限地基阻尼影响是很有必要的。     

基于ABAQUS-Python无限元的动力人工边界研究

结构在地震数值模拟中会产生地基辐射阻尼问题,目前广泛采用的人工边界能够有效解决该问题,然而实现一般比较繁琐。基于无限元动力边界原理和波在弹性介质中传播理论,推导了剪切波和压缩波入射情况下,人工边界各侧面节点的等效荷载时程表达式。借助ABAQUS有限元软件中无限单元,给出了无限元-有限元联合建模方法,利用软件内嵌的Python脚本语言进行开发编程,实现边界节点上荷载幅值的自动生成和施加。算例结果分析表明,该方法计算结果精度较高,能够有效解决地基辐射阻尼问题。     

基于不同边界的混凝土重力坝地震损伤分析

对于混凝土重力坝的地震损伤研究而言,组建合理的大坝模型对计算结果的精度和可靠性有很大影响,其中模型边界的选取和设置至关重要;采用黏弹性人工边界的重力坝模型计算所需时间较长,操作也较复杂,结合薄层单元和黏弹性人工边界构造了等效黏弹性人工边界,对比了黏弹性人工边界和等效黏弹性人工边界模型的结果,发现两种边界控制下的坝体地震损伤结果类似,坝体受损轻微,且等效黏弹性人工边界消耗的计算资源较少,其结果仍具有较高精度。     

强震作用下特高拱坝非线性地震反应分析

研究采用等效一致黏弹性边界单元模拟拱坝无限地基辐射阻尼效应,给出了人工边界节点上等效地震荷载的计算公式,实现了拱坝-地基系统的地震动输入。以我国某特高拱坝为例,建立了拱坝-地基三维有限元分析模型,精细模拟了坝体体型、横缝、河谷形状、各类岩体以及主要地质构造。采用时程分析方法,综合考虑无限地基辐射阻尼效应、拱坝-库水动力相互作用、拱坝横缝动力接触非线性效应等因素,分析了拱坝-地基系统在强震作用下的动力响应,对拱坝抗震安全性进行了评价。研究成果为高拱坝设计提供了参考。     

固体-液固两相饱和介质耦合动力有限元分析

基于固体介质和液固两相饱和介质动力学方程,采用有限元方法模拟脉冲荷载作用下介质耦合对结构动力响应的影响,并采用黏弹性人工边界模拟地震波的远域能量逸散效应。计算结果表明:介质耦合对地震波的传播有一定的影响;黏弹性人工边界可以削弱地震波在固定边界处产生的反射现象,较固定边界计算结果更符合实际情况。     

考虑成层地基的黏弹性人工边界模型

为了将黏弹性人工边界条件用于成层地基模型的计算中,基于波动理论,推导了不同类型地震波的波幅比计算公式,采用延迟法考虑行波效应,完成了成层地基的自由场求解,得到了考虑地震波一次反射透射的等效荷载计算公式,最终建立了考虑成层地基的黏弹性人工边界模型。以SV波垂直入射为例,采用所建立的模型进行了重力坝的动力计算。结果表明,该模型满足工程抗震分析的精度要求,可以解决成层地基条件下,地震波垂直入射时考虑土-结构相互作用的结构动力分析问题。     

纵缝对重力坝地震反应影响的研究

本文采用显式有限元结合人工透谢边界进行波动分析，配合动接触力模型考虑纵缝接触非线性问题，用静动组合方法考虑静动荷载的耦合作用，形成新的重力坝地震反应分析的计算体系，对一典型的含纵缝重力坝进行了地震反应分析。在考虑地基辐射阻尼的条件下得出了纵缝的存在及纵缝初始宽度、填充情况、缝面摩擦系数等因素对坝体地震反应影响的一系列结论。     

基于OpenSees的二维黏弹性边界单元开发及应用

基于有限元开源软件OpenSees开发了二维黏弹性边界单元VS2D2Bar,采用数值算例验证了该二维黏弹性边界单元在程序实现上的正确性,并将其应用于重力坝地震响应分析。重力坝算例分析结果表明:与固定边界无质量地基模型相比,采用黏弹性边界单元分析得到的坝体动力响应峰值大幅度减小,在重力坝的地震响应分析中必须考虑无限地基辐射阻尼效应的影响;OpenSees适用于重力坝地震响应分析,编程开发和调试工作量较小,易于在复杂水工结构的静动力分析研究中推广应用。     

高拱坝地震响应时程分析

采用有限元结合三维粘弹性局部人工边界的动接触地震波动模拟方法建立拱坝一地基一库水的有限元计算模型,研究库水对结构振动频率和振型的影响.并借助APDL语言实现粘弹性人工边界、动水压力及地震波的自动输入模块.对拱坝-地基-库水联合作用下的结构进行抗震计算时程分析.计算结果为优化坝体结构的动力特性和抗震设计提供参考.     

离散元-边界元动力耦合模型

本文提出了一种二维变形体离散元与时域边界元的耦合模型，这一模型可以将非连续体的模拟与无限域的模拟统一在一个模型中，可用于在地震波动输入条件下，考虑辐射阻尼的岩体边坡或地下结构等的动力稳定和变形分析，拓宽了离散元动力分析的领域。算例分析表明本耦合分析模型具有较高的精度。     

基于双滑面模型的混凝土重力坝深层抗滑动力稳定分析方法

地震作用下混凝土重力坝的深层抗滑稳定是设计关心的问题。应用刚体极限平衡方法,并与有限元相结合进行重力坝深层抗滑稳定动力分析,制定了相关的计算流程:①通过黏弹性地基模型考虑地基岩体的辐射阻尼效应;②通过不同岩体中地震波速的分段处理确定入射波在不同岩体中的传播时间,从而考虑岩层的不均匀性;③应用直接计算截面内力的方法提取有限元结果中的滑动力和阻滑力,并采用规范给出的抗滑模型进行深层抗滑稳定分析;④通过敏感性分析确定了双滑面模型的2个关键参数,并比较了地基均匀性对结构变形和稳定的影响。基于上述计算流程,结合小南海重力坝工程实例,计算了地震作用下重力坝深层抗滑稳定安全系数,计算结果验证了方法的有效性,并与常规方法作了对比,其一致性较好。     

组合弹性边界在基坑内支撑平面杆系有限元分析中的应用

内支撑平面杆系有限元计算是基坑支护结构设计不可或缺的一环,其中边界条件的选择尤为重要。为解决目前基坑内支撑平面杆系有限元计算中边界设置不合理的现状,引入仅受压法向弹簧与切向弹簧形成组合弹性边界,采用有限元方法对基坑内支撑平面计算进行分析,探讨了弹簧刚度系数对内支撑受力和变形的影响。研究结果表明:仅受压法向弹簧与切向弹簧很好地消除了传统约束对内支撑受力与变形的影响,不仅可得到准确的内支撑水平等效刚度,而且可精确计算各杆件内力;内支撑受力与仅受压法向弹簧和切向弹簧刚度系数无关;相比仅受压法向弹簧来说,切向弹簧对内支撑位移起控制作用。该组合弹性边界物理意义明确,弹簧刚度系数取值容易,可在基坑支护设计中推广应用。