【摘要】：修建于我國西南地區(qū)的大型水電工程多處于地震高發(fā)地區(qū),該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,節(jié)理、斷層、層間錯動帶等不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育,在地震動力作用下不利地質(zhì)極易發(fā)生破壞進(jìn)而導(dǎo)致地下硐室等水電設(shè)施的工程事故。因而,研究不利地質(zhì)在地震動力響應(yīng)特征對工程安全具有重要的工程意義和理論價值。論文采用DEM-FEM耦合方法研究不利地質(zhì)的地震動力響應(yīng)特征,對耦合算法和程序?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行研究。論文以加州大學(xué)伯克利分校的開源動力有限元軟件OpenSees(C++)和Cundall、Strack網(wǎng)絡(luò)共享的開源DEM(FORTRAN77)程序為基礎(chǔ),通過研究DEM-FEM耦合算法及其實現(xiàn)的數(shù)學(xué)表達(dá),進(jìn)而提出耦合單元在DEM-FEM的相互作用模式和程序?qū)崿F(xiàn)方法;并通過經(jīng)典的波傳遞算例驗證耦合算法的正確性及程序的可靠性。論文主要工作如下:(1)邊界條件處理。依據(jù)粘彈性人工邊界理論以及人工邊界上動力荷載的輸入轉(zhuǎn)化方法,基于OpenSees的單元接口,實現(xiàn)粘彈性人工邊界單元(VSB2D)�；谝痪S桿件模型,設(shè)置相應(yīng)的粘彈性人工邊界和動力荷載進(jìn)行計算,驗證該粘彈性人工邊界單元可以正確模擬動力邊界,驗證了粘彈性邊界單元處進(jìn)行動力荷載轉(zhuǎn)化也可以正確模擬動力邊界。(2)DEM程序封裝。以開源的DEM程序為基礎(chǔ),運用C++與Fortran混合編程技術(shù),將其封裝為lib庫文件引入到OpenSees中以供主程序調(diào)用�；诩ふ饘嶒灁�(shù)值計算模型,驗證封裝后DEM程序可以被主程序調(diào)用并能正確計算。(3)DEM-FEM耦合計算方法實現(xiàn)及耦合計算程序驗證。通過研究DEM-FEM耦合計算方法,基于OpenSees四邊形單元,添加DEM程序庫中計算函數(shù)并修改單元荷載計算函數(shù),實現(xiàn)耦合界面力的傳遞,進(jìn)而實現(xiàn)了DEM-FEM耦合計算方法。基于一維耦合計算模型,選取離散元不同的k_n作為計算參數(shù),以透射系數(shù)為正確解,給出合理的k_n取值,并以不同形式的荷載進(jìn)行動力計算,驗證DEM-FEM耦合計算方法和計算程序的正確性和可靠性。(4)實際工程動力計算和程序性能評估。建立含有軟弱夾層地下硐室工程模型進(jìn)行動力計算,計算硐室附近的圍巖與軟弱夾層處的動力響應(yīng),分析圍巖與軟弱夾層動力響應(yīng)之間的關(guān)系。并依據(jù)工程模型的規(guī)模,評估程序計算模擬的性能。
【圖文】：

武漢輕工大學(xué)碩士學(xué)位論文( ) ( )4 41 1, , ,i i i ii iu N u v N v(e ef N (式中：iN 表示矩形單元的形函數(shù)，i＝1，2，3，4；eN 表示形函數(shù)矩陣；e 示單元節(jié)點位移列陣， Ti i i u v，i＝1，2，3，4。引入符號0 i ，0 i ，i＝1，2，3，4，則 可以統(tǒng)一寫為：( )( )0 011 14iN + + (

圖 2. 4 不同時域逐步積分方法的計算精度（ t/ Tn=0.1）假如使用中心差分法對相關(guān)動態(tài)問題的時域積分進(jìn)行求解，當(dāng)前時刻節(jié)點的與前一時刻求解出的加速度和位移有關(guān)，這也就是說當(dāng)前時刻的位移求解是迭代的過程。另外，只需要將運動方程在求解過程中，將質(zhì)量矩陣與阻尼矩角化，求解前一時刻的加速度也不用聯(lián)立方程組，因此可以大大簡化求解問，這也是通常意義的顯式求解法。顯式求解法既有優(yōu)點也有缺點，優(yōu)點則是在收斂與否問題，也不用求解復(fù)雜的聯(lián)立方程組，但是它的缺點是數(shù)值積分限制時間步長的取值，，即該值不能超過系統(tǒng)自身的臨界時間步長取值。Newmark-β 法，尤其是 β=1/4 時的無條件穩(wěn)定的積分方法應(yīng)用廣泛。中心差穩(wěn)定性較差，不過由于此法所具有簡單而高效的特點，使其在數(shù)值積分領(lǐng)域泛的應(yīng)用。而對于 Wilson -θ 積分法，因為它具有過高的算法阻尼，在實際也不是特別廣泛。對于某些特別的問題，對計算精度的要求往往要嚴(yán)于至少性條件，因此在處理這些特殊問題情況下中心差分法更具有優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：武漢輕工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV223

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2651421