横观各向同性饱和多孔半空间与梁的动力相互作用

通过引入三个标量函数,结合Fourier变换,首先将横观各向同性饱和多孔半空间的基本方程组简化为一个6阶控制方程和一个2阶控制方程;求解这两个控制方程,给出了横观各向同性饱和多孔半空间相关物理量的解析表达式.利用带扩展项的正弦级数解答,在将梁下地基表面沉降也展成正弦级数后,结合板-地基的相容条件(连续条件),对横观各向同性饱和多孔半空间与有限长梁的动力相互作用问题进行了分析、计算.另外,利用Fourier变换,对横观各向同性饱和多孔半空间与无限长梁的动力相互作用问题进行了分析.     

横观各向同性饱和介质非轴对称动力响应分离变量解Separation of variables solution of non-axisymmetrical dynamic response of transversely isotropic saturated porous media

首先将横观各向同性饱和弹性多孔介质非轴对称问题的Bio t波动方程,变换为适宜于进行分离变量法求解的形式;然后在非轴对称简谐激励下,用分离变量法得到Bio t方程的一般解,即用分离变量法求得了多孔介质位移和应力分量的解析表达式;并给出了半空间横观各向同性饱和弹性多孔介质在表面竖向简谐荷载作用下表面竖向位移的数值分析结果,得出载荷对30倍受载半径以外的区域几乎无影响的结论。同时表明了本文的分析方法是切实可行的。     

横观各向同性饱和介质非轴对称动力响应分离变量解

首先将横观各向同性饱和弹性多孔介质非轴对称问题的Biot波动方程,变换为适宜于进行分离变量法求解的形式;然后在非轴对称简谐激励下,用分离变量法得到Biot方程的一般解,即用分离变量法求得了多孔介质位移和应力分量的解析表达式;并给出了半空间横观各向同性饱和弹性多孔介质在表面竖向简谐荷载作用下表面竖向位移的数值分析结果,得出载荷对30倍受载半径以外的区域几乎无影响的结论。同时表明了本文的分析方法是切实可行的。     

非饱和土半空间Lamb问题及能量传输特性

地球表面绝大多数土层处于非饱和状态, 故采用传统饱和两相介质理论进行动力学分析时, 结果往往与实际情况不符. 针对这一问题, 本文以非饱和半空间作为研究对象, 基于连续介质力学和多孔介质理论, 考虑非饱和多孔介质中各相的质量守恒方程、动量守恒方程、本构方程以及有效应力原理等基本方程, 建立了以骨架位移、孔隙水压力和孔隙气压力为基本未知量的动力学控制方程. 针对非饱和半空间表面在竖向集中简谐荷载作用下的动力学响应及能量传输问题, 建立了频域内经典Lamb问题的轴对称计算模型, 采用Helmholtz分解法, 通过引入势函数Φ和Ψ表示骨架的位移分量, 结合本构方程获得了不同边界条件下半空间表面位移场和能量场等物理量的解析解答, 并通过数值算例对荷载参数(激振频率)、材料参数(饱和度、渗透系数)等影响因素进行了分析与讨论. 结果表明: (1)饱和度的升高或者激振频率下降, 都会提高非饱和半空间的表面位移幅值; (2)当渗透系数下降至一临界值时, 地表位移幅值会趋于一极限值, 并且透水(气)边界与不透水(气)边界条件下渗透系数的影响表现出明显的差异性.      

集中力作用下的两相饱和介质位移场Green函数

以复模两相饱和介质Biot动力学方程为基础,根据该方程D'Alembert解的Fourier变换所属的Homholtz方程特性,由Biot方程解的相容性条件及δ函数性质较好地解决了快、慢纵波位势的耦合问题.较为简便地得到了两相饱和介质在集中力作用下低频(ω＜ωc)时的频域和时域的Green函数.     

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少. 本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法. 该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达. 典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.      

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

横观各向同性饱和地基上无限板的稳态振动

研究了横观各向同性饱和土地基上无限板的稳态振动问题. 基于直角坐标系下横观各向同性饱和介质Biot波动方程的一般解，采用双重Fourier积分变换技术，建立了饱和地基与无限矩形板相互作用的动力方程，利用数值方法求解该方程，得到任意谐振荷载作用下饱和半空间体上无限板稳态响应的一般解. 数值结果表明，横观各向同性饱和地基上无限板的振动与各向同性饱和地基上的无限板的振动特性存在明显差异.     

成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法

地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少.本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法.该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达.典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.     

移动简谐力作用下三维多孔饱和半空间的动力问题

研究了移动荷载作用下多孔饱和地基的动力问题.应用Fourier变换求解该问题的控制偏微分方程,考虑了荷载的移动速度及振动频率对多孔饱和地基动力响应的影响,重点研究了移动速度达地基表面波速时多孔饱和半空间的振动问题(马赫效应),并与相应的弹性介质的解答进行了比较.结果显示当移动速度与多孔饱和半空间的表面波速相近时,地基会产生很大的振动;当移动速度大于表面波速时,多孔饱和半空间的动力响应与弹性半空间的动力响应有较大的差别.     

Dynamic response of saturated layered half-space with different hydraulic interface conditions

Summary An analytic study of the response of saturated layered half-space under surface point loading is presented, with particular attention paid to the effect of hydraulic interface condition. A simplified formulation is adopted to describe the motion of the saturated porous medium, and a simple and direct approach is presented which does not involve the conventional Helmholtz decomposition in poroelasticity. Integral solutions for surface displacements are derived for different hydraulic interface conditions, and verified by reducing to well-known results of the Lamb's problem for a conventional one-phase medium. Numerical results for surface displacements in the near field are given, and the influence of the interface hydraulic condition on the displacements is shown. The present formulation possesses potential applications in practical engineering in solving various related source problems associated with uniform or layered saturated soil deposits. Received 30 September 1997; accepted for publication 14 July 1998     

Application of transition matrix to scattering of elastic waves in half-space by a surface scatterer

A transition matrix formulism for the scattering problems of elastic waves using a surface scatterer of three-dimensional half-space is derived by applying Betti's third identity and orthogonality conditions. The basis functions and their corresponding regular parts are derived from Lamb's singular solutions. The new orthogonal functions are constructed based on the linear transform. The intrinsic properties of the scattering and transition matrices derived in this paper are investigated. Numerical results for verification are presented and discussed.     

饱和土埋置力源的三维动力Lamb问题解答

基于一组弹性土波动方程，应用Fourier级数展开和Hankel积分变换，得到了三维问题饱和土骨架与孔隙水的应力及位移分量在变换域内的积分形式通解．考虑地基表面透水情形，由边界条件导出了半空间饱和土体在埋置力源作用下的三维动力Lamb问题的解答．给出了埋置水平力作用下地基表面竖向位移、径向位移及周向位移的数值解．该研究为运用边界元法求解饱和地基的动力响应课题奠定了理论基础．     

The three-dimensional fundamental solution to Stokes flow in the oblate spheroidal coordinates with applications to multiples spheroid problems

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｒｅｃｅｎｔｔｈｉｒｔｙｙｅａｒｓａｔｌｅａｓｔｆｏｕｒｎｅｗｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｔｒｅａｔｔｈｅｓｔｒｏｎｇｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓａｍｏｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄ ｏｒｏｔｈｅｒｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｉｎａＳｔｏｋｅｓｆｌｏｗ ,ｉ.ｅ.,ｔｈｅｍｕｌｔｉｐｏｌｅｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ ,ｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｉｎｔｅｇｒａｌｅｑｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ ,ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｉｎｇｕｌ…     

Lamb's integral formulas of two-phase saturated medium for soil dynamic with drainage

When dynamic force is applied to a saturated porous soil,drainage is common.In this paper,the saturated porous soil with a two-phase saturated medium is simulated,and Lamb's integral formulas with drainage and stress formulas for a two-phase saturated medium are given based on Biot's equation and Betti's theorem(the reciprocal theorem).According to the basic solution to Biot's equation,Green's function Gij and three terms of Green's function G4i,Gi4,and G44 of a two-phase saturated medium subject to a concentrated force on a spherical coordinate are presented.The displacement field with drainage,the magnitude of drainage,and the pore pressure of the center explosion source are obtained in computation.The results of the classical Sharpe's solutions and the solutions of the two-phase saturated medium that decays to a single-phase medium are compared.Good agreement is observed.     

An application of Ungar's differential transform to elastodynamics

In recent years, a lot of writers have used Cagniard-de Hoop’s method^[1][2] to solve some problems of elastic wave. But it is a difficult and complicated task to change the path of integration when we use this method. A differential transform by A.Ungar^[3,6] can obviate this difficulty. In this paper, weuse Ungar’s differential transform to solve a case of Lamb’s problem^[1][2].     

弹塑性接触问题数值计算的二次规划算法

针对弹塑性接触问题所推得的数值求解式子,运用二次规划法具体设计了算法,该算法采用有限的基底交换运算就可得到收敛的数值解,具有较好的收敛性及较小的计算工作量.工程计算算例结果表明文章所提出的接触问题的求解方法是有效的,针对结构中接触问题所建立的数值计算模型能真实反映实际工作状况是可靠的.文章中还详细给出了接触单元相关矩阵和向量的具体推导形式.     

粘弹性有限元法研究

以粘弹性材料的积分蠕变型本构关系为基础，建立了粘弹结构有限元分析模型，大量数值计算结果表明，本模型是行之有效，精度很高的。     

New analytic solutions for static problems of rectangular thin plates point-supported at three corners

This paper deals with the bending of rectangular thin plates point-supported at three corners using an analytic symplectic superposition method. The problems are of fundamental importance in both civil and mechanical engineering, but there were no accurate analytic solutions reported in the literature. This is attributed to the difficulty in seeking the solutions that satisfy the governing fourth-order partial differential equation with the free boundary conditions at all the edges as well as the support conditions at the corners. In the following, the Hamiltonian system-based equation for plate bending is formulated, and two types of fundamental problems are analytically solved by the symplectic method. The analytic solutions of the plates point-supported at three corners are then obtained by superposition, where the constants are obtained by a set of linear equations. The solution procedure presented in this paper offers a rigorous way to yield analytic solutions of similar problems. Some numerical results, validated by the finite element method, are shown to provide useful benchmarks for comparison and validation of other solution methods.     

加权残值法计算钢筋混凝土板弯曲变形

利用坐标变换将钢筋混凝土板的弯曲问题变换为各向同性板弯曲问题。然后利用康脱洛维奇变分原理及加权残值法计算各向同性板弯曲变形，从而得到原问题的解。本文所采用的方法简单，有一定实用价值。