[發明專利]一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應分析方法

在審

• 申請號: 201510258081.X
• 申請日: 2015-05-19
• 公開（公告）號: CN104809356A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 趙蘭浩;郭博文;李同春
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01V1/28
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明涉及渡槽結構抗震分析技術領域，特別是一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應分析方法。

背景技術

作為常見的輸水建筑物，大型渡槽在長距離調水、水資源優化配置等方面發揮著巨大的作用，其重要性不言而喻。渡槽結構是一種特殊的薄壁輸水建筑物，其上部水體的質量往往大于槽體本身的質量，這對于渡槽的抗震是極為不利的。渡槽遭受強烈地震時，結構的振動引發流體的運動，反過來流體的運動又改變著結構的振動，屬于典型的流固耦合現象，流體的作用是不可回避且必須加以考慮的問題，是渡槽結構抗震研究的技術關鍵之一。

目前，渡槽結構的流固耦合分析方法主要有：Westergaard附加質量法、HOUSNER模型、勢流體有限元流固耦合模型、邊界元法、ALE有限元法等幾類。附加質量法顯然是極其簡化的做法，既不能反映流固耦合作用，也不能反應槽內水體的晃動；HOUSNER模型簡單易行，采用彈簧質量系統來近似計算復雜的運動液體對固體產生的脈沖壓力和對流壓力，但未能真正反映水體的晃動以及耦合機理；勢流體有限元流固耦合模型考慮了流固耦合效果，但由于采用了無旋、無粘的理想流體假定，實際上用線性的方法解決非線性問題，忽略了水體大幅晃動這一重要影響因素；邊界元法能夠較好的模擬水體的晃動現象，但較難推廣到三維情況；ALE有限元法采用原始的非線性流體控制方程，對于流體大幅晃動及其流固耦合問題取得了較好的效果，只是自由面的存在使得對網格更新提出了更高的要求，在自由面大幅度劇烈晃動的情況容易產生網格畸變而導致求解失敗，對水波發生重疊或破碎的情況更是無能為力。

綜合目前的研究，大型渡槽流固耦合地震反應分析實際上有三個方面的問題有待于進一步完善：1、應采用原始非線性流體控制方程描述水體的運動。渡槽內水體與壩前庫水大范圍水體相比，嚴格來說已不再適用無旋、無粘的理想流體的假定；2、大幅晃動問題的準確描述。已有研究結果表明，渡槽結構中水體的晃動具有明顯的非線性特征，用線性化的方法描述強烈非線性的大幅晃動顯然是不合適的；3、流固耦合系統的求解。單純的自由面晃動問題已有不少豐富的研究成果，但考慮大幅度晃動下的流固耦合問題的求解則需進一步豐富。

發明內容

本發明的所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應分析方法，采用原始的不可壓縮粘性流體N-S方程描述水體的運動，采用Level?Set方法精確追蹤大幅晃動的界面，在槽身與晃動水體之間建立合適的耦合條件，通過交錯迭代法求解系統方程。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

根據本發明提出的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應分析方法，包括如下步驟：

步驟1、建立固體結構動力學方程；

步驟2、采用原始的不可壓縮粘性流體，建立流體N-S方程；

步驟3、采用Level?Set方法追蹤大幅晃動的界面，建立Level?Set函數控制方程；

步驟4、建立流固耦合面Γ_fs上控制方程；

步驟5、采用交錯迭代法求解步驟1、步驟2、步驟3和步驟4中所建立的方程。

作為本發明所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應分析方法進一步優化方案，所述步驟1中固體結構動力學方程為：

Msδ··+Cδ·+Kδ=Fe+Ff;]]>

其中，M_s是質量矩陣，C是阻尼矩陣，K為總體剛度矩陣，C＝αM_s+βK，α是第一瑞利比例阻尼系數，β為第二瑞利比例阻尼系數，δ為位移列陣，為速度列陣，為加速度列陣，F_e為外荷載向量，F_f為流體作用于固體的荷載。