地震波作用下地下含界面结构动态分析数值仿真

摘要

本文采用有限元法研究近场椭圆形孔洞、马蹄形孔洞对瞬态SH波的散射和动应力集中问题.有限元法在数学上是将偏微分方程的初边值问题划归一组常微分方程的初值问题(在空间离散化之后)或一组规则代数方程.然后,用NEWMARK直接积分法进行求解,得到各节点和单元的位移、应力的时程解.用有限元模拟波动问题,其首要问题是人工边界的设置问题,由于要从无限域中截取有限区域来模拟无限域,所以要引入人工边界.其次是解决时空离散带来的各种不利影响,以减少误差.还要考虑荷载的施加问题以及模型大小对解题的影响问题.本文对要解决的问题建立了有限元模型,并用通用有限元分析软件ANSYS进行了计算,给出了部分节点的位移、应力时程解和孔边动应力集中系数,并对结果进行了讨论.本文的具体工作如下:研究了全空间界面上含椭圆形孔洞对瞬态SH波的散射和动应力集中的问题.阐述了有限元离散带来的误差和解决办法.给出了有限元模型和计算结果,讨论了界面对结构的影响并且在有阻尼和无阻尼情况下计算出了模型的部分节点位移和加速度,还讨论了有限元横向边界不同和孔径大小不同的情况下对位移的影响,上下介质不同材料情况下动应力炱中系数的变化.研究了全空间界面上含马蹄形孔洞对瞬态SH波的散射和动应力集中的问题.将有限元软件计算的结果与透射边界的结果进行了对比,给出了地表位移和孔边位移的时程解,并给出了马蹄形孔的动应力集中系数.

目录

文摘

英文文摘

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1引言

1.1.1选题的目的和意义

1.1.2地下结构地震反应现有的设计方法

1.2国内本课题的研究动态研究状况

1.3近场波动的数值模拟

1.3.1近场波动问题

1.3.2近场波动的数值模拟方法

1.3.3近场波动数值模拟的研究进展

1.3.4数值模拟的目标和工程应用

1.4本文主要的研究内容

第2章波动有限元模拟

2.1引言

2.1.1有限元的发展和应用

2.1.2有限元法介绍

2.1.3有限元的几种方法

2.1.4典型分析步骤

2.2波动有限元数值模拟方法原理

2.2.1结构的动力学方程

2.2.2系统的动力响应

2.3动力问题有限元求解的基本步骤

2.3.1波动有限元中的人工边界

2.3.2波动有限元网格尺寸

2.3.3波动有限元时域积分时间步长的选取

2.4本章小结

第3章有限元分析软件ANSYS简介

3.1引言

3.1.1 ANSYS软件发展过程

3.1.2ANSYS使用环境

3.1.3 ANSYS软件的功能

3.1.4 ANSYS结构分析模块简介

3.2本章小结

第4章全空间中地下含界面椭圆形孔洞对瞬态SH波的散射和动应力集中

4.1引言

4.2问题的阐述

4.3不均匀介质中的弹性波传播

4.3.1频散、截止频率和寄生振荡

4.3.2间断面和离散步距的选取

4.4离散误差分析

4.5求解问题的方法

4.5.1系统阻尼矩阵的形成

4.5.2模态分析

4.5.3瞬态分析

4.5.3Newmark积分法

4.6动应力集中系数

4.7算例分析

4.7.1.建立有限元模型

4.7.2材料参数的选取

4.7.3边界条件的处理

4.7.4荷载的施加

4.7.5结果分析

4.8本章小结

第5章含界面全空间中马蹄形孔洞对SH波的散射及动应力集中

5.1引言

5.2问题的表述

5.3算例分析

5.3.1有限元模型的建立

5.3.2材料参数的选取

5.3.3边界条件的处理

5.3.4荷载的施加

5.3.5结果分析

5.3.6动应力集中系数

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢