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半无限土体的数值模拟及动力分析研究

作　者: 樊强
导　师: 张楠
学　校: 北京交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 二十结点六面体单元振动波半无限土体边界
分类号: U212.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 21次
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内容摘要

近些年来,我国的轨道交通得到了迅猛的发展,随之而产生的噪声和振动同时也给人们的日常生活带来了很多影响。为了研究和解决这一问题,本文通过研究振动波在半无限土体中的传播规律,得出一定的结论,为环境振动的有关研究提供参考依据。本文试图采用数值模拟的方法来研究波在半无限空间土体中的传播特性,在数值模拟过程中,为了更精确的模拟半无限空间土体,作者不断地寻求一种较为精确的单元,通过MATLAB软件求出单元的刚度矩阵,运用到自编的动力程序中进行计算分析。文章首先简单地介绍了近些年来国内外对振动波在半无限土体中传播的研究现状,着重介绍了单元刚度矩阵的求解理论,对二十结点六面体单元的刚度矩阵进行了详细的推导。同时,通过静力分析比较了二十结点六面体单元和八结点六面体单元的精确性,结果表明二十结点六面体单元的优越性突出。文章在对半无限土体模型边界的处理中采用三维黏弹性人工边界,取得了一定的效果。此外,文章最后运用工程实例进行验证分析,证明了数值模拟这一方法的精确性和可行性。文章的最终结论也证明了这一方法的良好效果。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 绪论  10-28
  1.1 选题背景和意义  10-14
  1.2 振动波的研究成果综述  14-27
    1.2.1 振动波的产生与传播规律概述  14-17
    1.2.2 交通环境振动及土体建模的研究  17-22
    1.2.3 环境场地振动控制标准  22-25
    1.2.4 振动的控制技术简介  25-27
  1.3 本文的研究思路和内容  27-28
2 有限单元法理论基础  28-58
  2.1 有限单元法综述  28
  2.2 二十结点六面体单元刚度矩阵的推导  28-38
    2.2.1 二十结点六面体单元基本物理关系  28-30
    2.2.2 结点位移和单元位移的关系—单元的形函数  30-33
    2.2.3 单元平衡方程及单元刚度的表示  33-36
    2.2.4 单元刚度矩阵的MATLAB编程  36-38
  2.3 二十结点六面体单元的改进—非协调单元  38-46
    2.3.1 非协调元发展简述  38-39
    2.3.2 二十结点六面体非协调单元刚度矩阵  39-42
    2.3.3 二十结点六面体非协调元刚度矩阵编程计算  42-45
    2.3.4 对比单元—八结点六面体单元简介  45-46
  2.4 单元收敛性简易判别  46-47
  2.5 静力问题中四种单元的模拟对比  47-52
  2.6 结构动力分析介绍  52-56
    2.6.1 ANSYS在结构动力分析中的应用  52-53
    2.6.2 结构动力分析中的阻尼模型  53-55
    2.6.3 动力方程求解  55-56
  2.7 本章结论  56-58
3 半无限土体动力特性研究  58-66
  3.1 三维地基土—建筑物动力分析模型  58
  3.2 常见的振动波介绍  58-59
  3.3 半无限空间的动力分析  59-61
  3.4 人工边界讨论及合理设置  61-66
    3.4.1 三维黏弹性介质法向边界方程  62-63
    3.4.2 三维黏弹性介质切向边界方程  63-66
4 工程实例—桥墩桩基振动对河堤周围土体的影响  66-80
  4.1 程研究简介  66
  4.2 程模型及研究分析  66-68
  4.3 土体刚度的推导—土弹簧刚度  68-70
  4.4 模型分析结果  70-77
  4.5 工程计算结论及相关建议  77-80
5 结论和展望  80-82
  5.1 结论  80
  5.2 展望  80-82
参考文献  82-86
作者简历  86-90
学位论文数据集  90

半无限土体的数值模拟及动力分析研究

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