振动波在半无限域土体中传播的有限元模拟

摘要

随着现代工业的迅速发展，城市规模的日益扩大，尤其是交通系统引起的振动对大都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的普遍关注。揭示交通振动的发生机制，追踪其传播过程，减小交通振动的环境污染，已经成为环境振动领域亟待解决的重要问题。交通系统引起的环境振动及其对周围建筑物影响的研究关系到结构工程的许多研究领域，振动在自由场地上的传播规律即轨道交通引起的环境振动在土体中的传播是多项复杂研究内容的其中一项。本文在前人研究的基础上，对振动波在土体中的传播规律、土体模型的模拟及隔振沟对波动的影响进行了分析研究，为轨道交通的可行性研究和环境影响评价提供参考。 研究振动波在土体中的传播问题需要考虑边界条件，本文阐述了研究人员对研究振动波的问题提出的几种考虑边界条件的方法，介绍了国内外对振动波在土体中的传播及减振的研究现状。 基于ANSYS等分析计算软件在模拟土体参数时不容易确定，比如弹性模量、泊松比、阻尼等，本文将半无限土体划分为可以运用刚度矩阵模拟的有限单元，组合所有单元的刚度矩阵为整个研究土体模型的刚度矩阵，采用Newmark-β数值分析法编写动力分析程序计算振动波在土体中的传播问题，有望于寻求一种新的方法。本文分析计算并比较了振动波在八分之一空间土体模型与在半无限域土体模型的动力响应，并初步分析了隔振沟对波动效应的影响，为环境振动和隔振问题的进一步研究提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土介质中的波

1.2.2 土的阻尼性质

1.2.3 地基土体的建模方法

1.3 课题研究的必要性及主要内容研究和方法

1.3.1 课题研究的必要性

1.3.2 本文主要研究内容及方法

2 三维实体分析

2.1 三维实体结构特性及有限元理论分析

2.2 三维实体分析的原理

2.2.1 推导三维实体(σ—ε)应力与应变的关系

2.2.2 推导三维实体(ε—μ)应变与位移的关系

2.2.3 推导三维实体(μ—φ)位移与位移场的关系

2.2.4 推导三维实体的应变能

2.2.5 推导三维实体的功

2.2.6 利用最小势能法导出刚度矩阵

3 长方体元素的刚度矩阵计算

3.1 刚度矩阵计算原理分析

3.2 利用数学计算软件计算长方体刚度矩阵

3.2.1 运用Mathematic程序计算

3.2.2 运用Maple程序计算

3.2.3 数学程序计算结果

4 刚度矩阵实例应用分析

4.1 引言

4.2 刚度矩阵实例计算

4.2.1 计算程序的主要内容和步骤

4.2.2 实例的计算程序

4.2.3 程序的计算结果

4.3 实例计算结果分析

4.3.1 程序(BRICK程序)的扩展

4.3.2 运用MADIS分析软件计算

4.3.3 运用ANSYS分析软件计算

4.3.4 运用结构力学方法计算

4.3.5 小结

5 振动波在半无限空间土体中的传播

5.1 振动产生的原因

5.2 列车运行引起的地面振动

5.3 环境振动的评价标准

5.4 1/8 空间土体模型和半无限空间土体模型中波的传播

5.4.1 人工边界

5.4.2 建立土体模型

5.4.3 土体模型动力响应分析

5.4.4 两种土体模型中部分点的各方向加速度变化比较

5.5 隔振沟情况下的振动波在土体中的传播

5.5.1 建立土体结构模型

5.5.2 隔振沟土体模型动力响应

5.6 小结

6 结论与展望

参考文献

附录A长方体三维实体的刚度矩阵计算表达式

作者简历