流體-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬方法及應用.pdf

1、近年來我國東南沿海地區(qū)港口、核電站、物資儲備基地等國家重要基礎設施得到國家的大量投入建設。由于東南沿海地區(qū)在每年夏天季風期均會遭遇臺風，這將對沿海防浪設施構(gòu)成威脅；另外隨著我國城市化進程的發(fā)展，城市人口劇增，城市輸水隧道調(diào)水工程也相應得到迅速發(fā)展，保證城市輸水工程運營安全對社會穩(wěn)定具有重要的意義。針對以往流體-結(jié)構(gòu)-土體系統(tǒng)分析時未考慮流-固動態(tài)耦合以及由于計算機資源限制造成對計算模型過渡簡化的問題。本文基于超級計算機并面向海岸工程和隧

2、道工程問題，提出波浪沖擊問題、水錘沖擊問題和輸水隧道抗震問題涉及的流體-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)數(shù)值建模和計算方法，同時針對該三種問題分別提出數(shù)值造波方法、水錘模擬方法和土層 Rayleigh阻尼參數(shù)校定方法，并展開波浪沖擊防浪堤、關閥水錘和含水隧道地震三種不同形式的流體-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合問題工程應用分析，具體內(nèi)容包括：
　　研究了防浪堤波浪沖擊問題、輸水隧道水錘沖擊問題和輸水隧道抗震問題中流體-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)的數(shù)值建模和

3、計算方法：采用ALE(Arbitrary Lagrange Euler)法和拉格朗日法分別描述流體域和固體域網(wǎng)格，并通過罰函數(shù)法建立流體-結(jié)構(gòu)耦合。采用基于分段搜索的面-面對稱雙向耦合接觸算法建立結(jié)構(gòu)-土體耦合。針對襯砌隧道拼裝結(jié)構(gòu)，并引入正交各向異性材料來模擬襯砌隧道真實材料特性，采用混合建模方法實現(xiàn)整體結(jié)果和局部精細結(jié)果同時計算。針對彈塑性土層地震傳遞特性，控制了“低通效應”造成的能量損失以及人工截斷邊界造成的誤差。最后設計并通過波

4、浪-局部直段防浪堤-土體耦合模型證實了一種具有較高計算效率的分區(qū)方法。
　　研究了波浪-防浪堤結(jié)構(gòu)-土體耦合系統(tǒng)的建模理論和數(shù)值造波計算方法，并應用于沿海某核電站一期工程防浪堤的加高加固設計。建立流體-堆石-護面結(jié)構(gòu)-擋浪墻結(jié)構(gòu)-填土三維精細有限元模型。首先通過物理模型試驗驗證建模方法和計算參數(shù)的正確性，然后計算了防浪堤前后擋浪墻受波浪和漂浮物沖擊下的動態(tài)響應。
　　研究了內(nèi)水-隧道結(jié)構(gòu)-土體耦合系統(tǒng)的建模理論和水錘模擬方法

5、，并應用于上海青草沙輸水隧道關閥水錘設計。建立了流體模型，隧道-工作井-變形縫模型，土體分層模型，并通過流-固耦合方法和動態(tài)接觸方法建立耦合系統(tǒng)三維有限元模型。數(shù)值模擬了輸水隧道運營工況和水錘工況，并分析了混合模型下襯砌環(huán)水錘沖擊響應。
　　研究了內(nèi)水-隧道結(jié)構(gòu)-土體耦合系統(tǒng)的建模理論和土層 Rayleigh阻尼參數(shù)校定方法，并應用于上海青草沙輸水隧道抗震設計。建立了流體-隧道結(jié)構(gòu)-土層的三維有限元模型。分析了一致激勵下輸水隧道襯