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《地震工程与工程振动》2015,(1)
传统的不变流行降阶技术通过增加状态空间的方式将外荷载看成是附加状态,这种方法只适用于非线性较弱的结构。考虑到膜结构的较强非线性的特点,本文基于中心流形理论,通过模态转换的方式对风和膜结构形成的耦合体系进行降阶处理,将膜结构的模态分为主模态和次模态,将膜结构的风振状态表示为主模态的非线性函数,并将次模态表达为主模态的随时间变化的非线性函数,这里的不变流形依赖于主模态和风荷载,最后通过扩展不变流形方程获得体系的降阶模型。将该降阶模型用于计算膜结构的风振耦合响应,得到了膜结构风压系数、风振响应和功率谱等重要参数,结果与全阶模型计算结果符合良好。同时对比了本文降阶模型的计算效率,由此可见本文降阶模型耗费机时比全阶模型平均减少约55%,耦合迭代次数比全阶模型平均减少约60%。由此可见,基于模态转换的降阶模型适用于膜结构的风振耦合分析,且具有较高的准确性和计算效率。 相似文献
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大跨度柔性屋盖风振中流固耦合分析的强耦合方法 总被引：2，自引：0，他引：2
本文针对大跨度柔性屋盖风振中流固耦合作用的特点,介绍了一种计算黏性不可压缩流体与经历大变形非线性结构之间流固耦合作用的强耦合方法。本文将伪实体弹性模型引入到流固耦合问题的流体域中处理其变形,使流体和固体形成整体耦合,推导了计算流固耦合问题的整体式方程,并用Newton—Raphson法求解。文中首先用经典圆柱绕流证明了该方法的有效性,并利用该方法计算了一大跨度柔性屋盖风振的流固耦合问题,结果与已有文献中的结果符合良好。因此证明本文提出的强耦合方法用于计算大跨度柔性屋盖风振流固耦合问题是准确可行的。 相似文献
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本文分析了目前直流电阻率正演模拟中的无单元Galerkin法（EFGM）和有限单元法（FEM）的优缺点，针对采用第一类边界条件需要足够大的计算域时EFGM计算成本高的问题，在计算域外围区域采用FEM扩边，提出了直流电阻率的无单元Galerkin-有限单元耦合法（EFG-FE）.采用具有Kronecker delta函数性质的径向基点插值法（RPIM）构造EFGM形函数，在外围区域将EFGM与FEM直接耦合，无需其他处理手段，消除了传统EFGM与FEM耦合中存在的界面耦合困难.EFG-FE将模型计算域分割为EFGM区域和FEM区域，模型核心区域采用EFGM计算，发挥EFGM灵活性、适应性强和高精度的优点，使得模型建立简单方便，对任意复杂地电模型适应性强，同时获得高精度模拟结果.在模型计算域外围采用快速扩展的FEM单元网格进行剖分，利用其数值稳定性和高效性，使用少量FEM节点和单元网格将计算域大范围扩大满足第一类边界条件，同时不大幅增加计算成本，进而提高计算效率.最后，通过不同正演方法的模型算例的模拟结果对比，验证了本文提出的EFG-FE有效可行，其模拟结果具有很高的模拟精度，且相比于采用第三类边界条件的EFGM提高了计算效率，具有更好的模拟性能. 相似文献
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三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法（3DFEM）进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现"凹陷",与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性. 相似文献
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《地球物理学报》2020,(9)
三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法(3DFEM)进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现"凹陷",与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性. 相似文献
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采用一个描述饱和砂土中固相颗粒和液相流体耦合的离散元数值模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算.采用上述模犁数值模拟了在地震荷载作用液化场地的加速度、剪应力、剪应变时程以及超孔隙水压力和土层表面位移的发展过程.数值模拟结果... 相似文献
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频率域全波形反演是重要的地震成像方法,而频率域波动方程数值模拟是频率域全波形反演的基础.对于大规模的问题,由于受存储和计算量的限制,基于LU分解的直接方法一般不再适用,而是采用迭代方法.基于多重网格预条件的双共轭梯度稳定化方法是一种重要的迭代方法.本文重点讨论了多重网格预条件求解过程中的松弛因子选择方法,研究结果表明,(1)对于一般选取的松弛因子,随模型复杂性的增加,所能计算的重数逐渐下降,方法的实用性也随之下降;(2)对于复杂模型,采用局部模式分析方法选取松弛因子,提高了所能计算的重数,保证了多重网格方法的收敛性和实用性.这些研究成果对基于多重网格预条件的迭代算法的实际应用具有重要意义. 相似文献
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对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明:非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差. 相似文献
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本文针对声-弹耦合介质，为尽可能的减少频率域正演模拟的计算内存，提高计算效率，在一阶非均质位移-应力波动方程的基础上，借助等效交错网格思想并充分考虑密度参数空间变化对地震波传播的影响，推导了声-弹耦合地震波波动方程.在流相介质和固相介质中分别采用非均质情况频率域二阶声压标量波、二阶纯位移控制方程，为保证流、固相介质间地震波能量的稳定传输和有效交换，提出了声-弹耦合界面转换过渡层方法，并详细阐述了过渡层与上下介质空间差分具体耦合方法.在与非均质纯位移波动方程正演结果对比分析的基础上，首先采用各向同性单层流相介质模型进行正演模拟验证了声-弹耦合方程数值模拟中过渡层策略的有效性和准确性，随后又数值模拟了地震波在声-弹耦合介质简单模型和复杂Marmousi2模型中的传播，验证了本文方法稳定性和准确性，同时该方法可以简单的推广到三维情况. 相似文献
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膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究 总被引：2，自引：1，他引：1
对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。 相似文献
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覆水场地地震反应分析 总被引：3，自引：0，他引：3
随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。 相似文献
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跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日一欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier—Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明：流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。 相似文献
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The paper presents a general procedure for dealing with coupled fluid-structure interaction under dynamic load. This incorporates a facility for dealing with a cavitating fluid and is based on the Newton displacement potential. Several solutions are obtained for two-dimensional gravity dam problems illustrating the effects of cavitation on earthquake response and blast loading. 相似文献
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We present an immersed structure approach for modeling the interaction between surface flows and vegetation. Fluid flow and rigid and flexible vegetative obstacles are coupled through a local drag relation that conserves momentum. In the presented method, separate meshes are used for the fluid domain and vegetative obstacles. Taking techniques from immersed boundary finite element methods, the effects of the fluid on the vegetative structures and vice versa are calculated using integral transforms. Using a simple elastic structure model we incorporate bending and moving vegetative obstacles. We model flexible vegetation as thin, elastic, inextensible cantilever beams. Using the immersed structure approach, a fully coupled fluid-vegetation interaction model is developed assuming dynamic fluid flow and quasi-static bending. This relatively computationally inexpensive model allows for thousands of vegetative obstacles to be included in a simulation without requiring an extremely refined fluid mesh. The method is validated with comparisons to mean velocity profiles and bent vegetation heights from experiments that are reproduced computationally. We test the method on several channel flow setups. We calculate the bulk drag coefficient in these flow scenarios and analyze their trends with changing model parameters including stem population density and flow Reynolds number. Bulk drag models are the primary method of incorporating small-scale drag from individual plants into a value that can be used in larger-scale models. Upscaled bulk drag quantities from this method may be utilized in larger-scale simulations of flow through vegetation regions. 相似文献
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中国核电厂抗震设计规范推荐采用的Housner模型不适用于复杂形状核电储液结构的流固耦合分析。对于AP1000和CAP1400核电站屏蔽厂房顶部非能动安全壳冷却系统重力水箱(简称PCS水箱),基于圆柱形水箱的Housner等效质量-弹簧模型,通过引入水箱体积修正参数,提出PCS水箱的三维等效质量-弹簧模型。采用有限元软件ADINA建立水箱结构流固耦合整体有限元模型以进行模态分析,计算分析PCS水箱和对应环形水箱在不同尺寸和液体深度条件下的液体晃动自振特性。对比整体有限元模型与三维等效质量-弹簧模型计算结果发现,提出的PCS水箱三维等效质量-弹簧模型能给出其内液体晃动各阶振型的液动压力合理估计值,适用于具有复杂形状的PCS水箱液动压力分析。本文的等效模型方法可推广应用于其他复杂形状水箱的液动压力分析。 相似文献
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Curvilinear immersed boundary method for simulating coupled flow and bed morphodynamic interactions due to sediment transport phenomena 总被引：2，自引：0，他引：2
Ali KhosronejadSeokkoo Kang Iman BorazjaniFotis Sotiropoulos 《Advances in water resources》2011,34(7):829-843
The fluid-structure interaction curvilinear immersed boundary (FSI-CURVIB) numerical method of Borazjani et al. [3] is extended to simulate coupled flow and sediment transport phenomena in turbulent open-channel flows. The mobile channel bed is discretized with an unstructured triangular mesh and is treated as a sharp-interface immersed boundary embedded in a background curvilinear mesh used to discretize the general channel outline. The unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) equations closed with the k − ω turbulence model are solved numerically on a hybrid staggered/non-staggered grid using a second-order accurate fractional step method. The bed deformation is calculated by solving the sediment continuity equation in the bed-load layer using an unstructured, finite-volume formulation that is consistent with the CURVIB framework. Both the first-order upwind and the higher-order hybrid GAMMA schemes [12] are implemented to discretize the bed-load flux gradients and their relative accuracy is evaluated through a systematic grid refinement study. The GAMMA scheme is employed in conjunction with a sand-slide algorithm for limiting the bed slope at locations where the material angle of repose condition is violated. The flow and bed deformation equations are coupled using the partitioned loose-coupling FSI-CURVIB approach [3]. The hydrodynamic module of the method is validated by applying it to simulate the flow in an 180° open-channel bend with fixed bed. To demonstrate the ability of the model to simulate bed morphodynamics and evaluate its accuracy, we apply it to calculate turbulent flow through two mobile-bed open channels, with 90° and 135° bends, respectively, for which experimental measurements are available. 相似文献
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This paper investigates the effects of foundation embedment on the seismic behavior of fluid-elevated tank-foundation–soil system with a structural frame supporting the fluid containing tank. Six different soil types defined in the well-known seismic codes were considered. Both the sloshing effects of the fluid and soil-structure interaction of the elevated tanks located on these six different soils were included in the analyses. Fluid-elevated tank-foundation–soil systems were modeled with the finite element (FE) technique. The fluid-structure interaction was taken into account using Lagrangian fluid FE approximation implemented in the general purpose structural analysis computer program, ANSYS. FE model with viscous boundary was used to include elevated tank-foundation–soil interaction effects. The models were analyzed for the foundations with and without embedment. It was found that the tank roof displacements were affected significantly by the embedment in soft soil, however, this effect was smaller for stiff soil types. Except for soft soil types, embedment did not affect the other response parameters, such as sloshing displacement, of the systems considered in this study. 相似文献
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大型渡槽的竖向地震效应分析 总被引：1，自引：0，他引：1
基于流体的位移有限元模式,借助于Ansys程序,考虑流体与结构之间的相互作用(作滑动边界处理),对3种型式的渡槽结构竖向地震效应进行了时程与反应谱分析。计算结果具有较好的精度,满足工程要求。本文的方法也可直接用于大型渡槽的水平地震效应分析。对于不同结构型式的渡槽,在七度抗震设防时,建议适当考虑竖向地震效应。 相似文献