劉晶波,寶 鑫,李述濤,2,王 菲,3
(1. 清華大學(xué)土木工程系,北京 100084;2. 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院,北京 100036;3. 陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
無限介質(zhì)的波動(dòng)輻射效應(yīng)是波動(dòng)數(shù)值模擬中需要考慮的關(guān)鍵問題,人工邊界技術(shù)是處理此類問題最常用的技術(shù)手段。該方法在無限或半無限介質(zhì)中截取有限的近場(chǎng)計(jì)算域,并在截?cái)噙吔缣幨┘尤斯み吔鐥l件,以吸收計(jì)算域內(nèi)產(chǎn)生的外行波動(dòng)。由于采用不同的數(shù)學(xué)、物理或力學(xué)原理,常用的人工邊界技術(shù)可分為透射邊界、黏性邊界、黏彈性邊界、邊界元和完美匹配層等。其中,在黏彈性人工邊界技術(shù)中,將介質(zhì)中單側(cè)波動(dòng)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為施加于截?cái)噙吔缟系膽?yīng)力邊界條件,并且等效為空間解耦的力學(xué)系統(tǒng),物理意義清晰、實(shí)用性強(qiáng),且具有較好的模擬精度和良好的魯棒性。近年來,已被研究人員集成于Marc、LS-DYNA、ANSYS、ADINA、Nastran、ABAQUS等通用有限元軟件,并應(yīng)用于大壩、橋梁、核工程、隧道和地鐵車站等建構(gòu)筑物與基礎(chǔ)的動(dòng)力相互作用分析及工程場(chǎng)地的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算,取得了合理準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
采用顯式時(shí)域逐步積分算法對(duì)含有黏彈性人工邊界的整體模型進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),受黏彈性人工邊界阻尼、剛度等的影響,人工邊界區(qū)的穩(wěn)定性需比內(nèi)部計(jì)算域的穩(wěn)定性條件更嚴(yán)格。目前,尚無明確、實(shí)用的考慮黏彈性人工邊界影響時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則,難以確定合理的數(shù)值積分時(shí)間步長(zhǎng),這一定程度限制了黏彈性人工邊界在顯式動(dòng)力分析中的應(yīng)用。與隱式算法相比,顯式動(dòng)力計(jì)算方法不需要求解耦聯(lián)方程組,計(jì)算工作量較小、計(jì)算效率較高,在大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力分析尤其爆炸問題數(shù)值模擬中應(yīng)用廣泛。鑒于此,有必要對(duì)使用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法的穩(wěn)定性開展研究工作,以促進(jìn)黏彈性人工邊界在大規(guī)模顯式動(dòng)力分析中的應(yīng)用。
本文中,針對(duì)含黏彈性人工邊界的數(shù)值模型在顯式算法中的穩(wěn)定性問題,利用基于局部子系統(tǒng)的數(shù)值穩(wěn)定性分析方法,給出可代表整體模型局部特征的不同邊界子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件解析解,比較分析不同計(jì)算區(qū)域的穩(wěn)定性條件及其影響因素,給出整體模型在顯式動(dòng)力計(jì)算中的統(tǒng)一穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則和簡(jiǎn)化實(shí)用計(jì)算方法。
黏彈性人工邊界由在截?cái)噙吔缣幵O(shè)置的空間解耦的彈簧-阻尼器構(gòu)成,如圖1 所示。
圖1 黏彈性人工邊界Fig. 1 Schematic diagram of viscoelastic artificial boundaries
二維情況下,黏彈性人工邊界等效物理系統(tǒng)的彈簧剛度和阻尼系數(shù)分別為:
表1 二維黏彈性人工邊界參數(shù)的數(shù)據(jù)[23]Table 1 The values of two-dimensional viscoelastic artificial boundary coefficients[23]
數(shù)值穩(wěn)定性是制約顯式動(dòng)力計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的主要因素,以往針對(duì)含人工邊界條件的計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究,多基于整體模型或由若干排(列)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),通過數(shù)值方法判斷其穩(wěn)定性。因未能給出解析形式的人工邊界穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則,此類方法的實(shí)用性仍有所欠缺。李述濤等總結(jié)和歸納了現(xiàn)有離散模型數(shù)值積分穩(wěn)定性研究工作,得出以下結(jié)論:數(shù)值積分算法的穩(wěn)定性由計(jì)算模型的最高階頻率即系統(tǒng)的截止頻率控制;截止頻率對(duì)應(yīng)的振型一般呈現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)系相鄰節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)振動(dòng)的模態(tài),二維平面應(yīng)變情況下,其振動(dòng)形式如圖2 所示。
圖2 基于局部子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析Fig. 2 Stability analysis based on local subsystems
在上述基礎(chǔ)上,李述濤等提出了一種利用局部子系統(tǒng)估算整體有限元模型數(shù)值穩(wěn)定性的方法。根據(jù)該方法,對(duì)于任意整體有限元模型,如能較準(zhǔn)確地判斷其最高階振型,則可利用振型節(jié)點(diǎn)的空間分布規(guī)律,截取由相鄰振型節(jié)點(diǎn)包圍的最小局部子系統(tǒng)(見圖2 中的子系統(tǒng)a)。對(duì)該子系統(tǒng)的邊界節(jié)點(diǎn)施加與整體模型最高階振型一致的約束條件,并進(jìn)行穩(wěn)定性分析,獲得的局部子系統(tǒng)穩(wěn)定性條件即為整體模型的穩(wěn)定性條件。而對(duì)于不能準(zhǔn)確判斷整體模型最高階振型的情況,可選取由相鄰單元構(gòu)成的最小子系統(tǒng)(見圖2 中的子系統(tǒng)b)。對(duì)該子系統(tǒng)的全部邊界節(jié)點(diǎn)施加固定約束,分析所有b 型局部子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,其下限值為整體有限元模型穩(wěn)定性條件的上限逼近。
基于局部子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法,提供了一種從理論上估算含人工邊界的復(fù)雜離散系統(tǒng)數(shù)值穩(wěn)定性的技術(shù)手段。對(duì)于整體模型的內(nèi)部計(jì)算域,可以采用子系統(tǒng)a 直接獲穩(wěn)定性條件,而對(duì)于邊界區(qū)域,由于人工邊界的影響,難以準(zhǔn)確判斷最高階振型,無法從整體計(jì)算模型中分割出子系統(tǒng)a,此時(shí)可以采用b 型子系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
穩(wěn)定性條件因所采用的數(shù)值積分方法而異,為解決實(shí)際工程應(yīng)用中黏彈性人工邊界的穩(wěn)定性問題,以在通用有限元軟件中應(yīng)用較廣泛的蛙跳格式中心差分時(shí)域逐步積分算法為基礎(chǔ),分析含黏彈性人工邊界的整體計(jì)算模型的數(shù)值穩(wěn)定性。對(duì)于其他顯式時(shí)域逐步積分算法,采用相似的步驟即可得到對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性條件。
數(shù)值積分方法的穩(wěn)定性僅與積分格式、時(shí)空離散步長(zhǎng)和計(jì)算系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)有關(guān),而與外力向量無關(guān)。如滿足以下條件,則積分格式是穩(wěn)定的:(1) ρ() ≤ 1,其中ρ()為傳遞矩陣的譜半徑,即ρ() =max|λ|,λ為傳遞矩陣的第個(gè)特征值,對(duì)于本文分析的二維情況,=1~4;(2) 如具有多重特征值,則該特征值的模小于1。
結(jié)合以上理論與方法,可將黏彈性人工邊界在顯式時(shí)域逐步積分算法中的穩(wěn)定性分析分解為3 個(gè)步驟:(1)選取能體現(xiàn)整體有限元模型不同局部特征的子系統(tǒng);(2)建立各子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程,結(jié)合時(shí)域逐步積分算法推導(dǎo)傳遞矩陣,并求解譜半徑;(3)根據(jù)譜半徑的模小于等于1 的限制條件求解各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,比較后選取最嚴(yán)格的穩(wěn)定性條件作為整體模型最大穩(wěn)定積分時(shí)間步長(zhǎng)的上限估計(jì)。
另外,在滿足了離散模型動(dòng)力計(jì)算的穩(wěn)定性條件下,為進(jìn)一步滿足精度要求,離散化網(wǎng)格的尺寸Δ需滿足以下條件:
式中:λ為離散網(wǎng)格中波動(dòng)傳播的最短波長(zhǎng),為介質(zhì)中的最小波速,為波動(dòng)問題數(shù)值模擬的截止頻率。
下面,針對(duì)二維情況,分析采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法的穩(wěn)定性。由于穩(wěn)定性條件與計(jì)算系統(tǒng)的單元尺寸和物理特性密切相關(guān),為不失一般性,在數(shù)值算法的穩(wěn)定性分析中通常采用規(guī)則幾何模型、均一介質(zhì)和均勻離散網(wǎng)格進(jìn)行建模分析。對(duì)于不規(guī)則網(wǎng)格或非均勻介質(zhì),可根據(jù)有限元網(wǎng)格的最小尺寸及不同區(qū)域的介質(zhì)材料參數(shù),采用本文方法分別計(jì)算穩(wěn)定性條件,并選取其下限值作為最大積分時(shí)間步長(zhǎng)的選取依據(jù)。
二維半無限空間近場(chǎng)有限元模型如圖3(a)所示,不考慮介質(zhì)阻尼,內(nèi)部均勻介質(zhì)在中心差分算法中的穩(wěn)定性條件為:
當(dāng)采用黏彈性人工邊界時(shí),因難以確定人工邊界區(qū)的最高階振型,應(yīng)采用b 型子系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。此時(shí),根據(jù)截取位置的不同,人工邊界區(qū)的b 型局部子系統(tǒng)可分為側(cè)邊(底邊)子系統(tǒng)和角點(diǎn)子系統(tǒng),如圖3(a)所示。
為建立局部子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程,先給出規(guī)則二維平面應(yīng)變等參數(shù)單元(見圖3(b))的剛度矩陣:
圖3 二維半無限空間近場(chǎng)有限元模型及二維平面應(yīng)變單元Fig. 3 Two-dimensional semi-infinite near-field finite element model and two-dimensional plane strain element
式中:為8×8 型的單位矩陣。
在圖3(a)所示的側(cè)邊子系統(tǒng)中,僅節(jié)點(diǎn)1 為自由節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)均施加了固定約束。利用黏彈性人工邊界物理參數(shù)(式(1))及平面應(yīng)變單元的剛度和質(zhì)量矩陣(式(7)~(8)),進(jìn)行矩陣組裝,得到側(cè)邊子系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)1 的運(yùn)動(dòng)方程:
由于整體模型的穩(wěn)定性受不同局部區(qū)域中最嚴(yán)格的穩(wěn)定性條件控制,根據(jù)式(6)、(21) 和(26),可將采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式算法的穩(wěn)定性條件統(tǒng)一改寫為:
側(cè)邊和角點(diǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)γ和γ均為無量綱系數(shù),僅與內(nèi)部介質(zhì)的泊松比、波源距與有限單元長(zhǎng)度比/有關(guān)。不同區(qū)域的穩(wěn)定性系數(shù)γ 隨和/的變化情況,如圖4 所示;當(dāng)/=1,5,+∞時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)γ 隨泊松比的變化,當(dāng)泊松比=0.2,0.3,0.4 時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)γ 隨/的變化,如圖5~6 所示。
圖4 穩(wěn)定性條件的比較Fig. 4 Comparison of stability conditions
圖5 不同R/L 時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)γ 隨泊松比μ的變化Fig. 5 Variations of stability coefficient γ with Poisson’s ratio μ under different R/L
圖6 不同泊松比μ時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)γ 隨R/L 的變化Fig. 6 Variations of stability coefficient γ with R/L under different Poisson’s ratio μ
由圖4~6 可見,側(cè)邊和角點(diǎn)子系統(tǒng)的數(shù)值積分穩(wěn)定性均隨泊松比的增大變得寬松,且隨著波源距與單元尺寸比/的增大先略為放松,當(dāng)/>5 時(shí)基本保持不變。此外,在不同情況下,角點(diǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)均最小,對(duì)整體計(jì)算模型的穩(wěn)定性起控制作用,其穩(wěn)定性條件即為采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法的統(tǒng)一穩(wěn)定性條件??杀硎緸椋?/p>
在采用黏彈性人工邊界和中心差分法進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí),根據(jù)黏彈性人工邊界參數(shù)α、α和波源距與單元尺寸之比/及泊松比,即可由式(28)確定穩(wěn)定的時(shí)間積分步長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中,為了更方便地確定穩(wěn)定時(shí)間積分步長(zhǎng) Δ,可采納幾種常見情況的穩(wěn)定性系數(shù),見表2。
表2 建議的幾種常見情況的穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 Recommended stability coefficients for several common cases
在實(shí)際工程中,通常滿足材料泊松比 μ≥0.1 、波源距與單元尺寸比/≥5 ,且穩(wěn)定性條件隨泊松比和波源距與單元尺寸比/的增大變得寬松。在實(shí)際應(yīng)用中,為避免復(fù)雜的公式計(jì)算,可直接采用μ=0.1、/=5對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性條件作為系統(tǒng)最大穩(wěn)定積分時(shí)間步長(zhǎng)的保守估計(jì):
為驗(yàn)證以上穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性,采用大型通用有限元軟件ABAQUS 建立均勻半空間模型,如圖7所示。模型尺寸為100 m×50 m,內(nèi)部介質(zhì)的密度為2 000 kg/m,剪切波速為200 m/s,泊松比為0.3。采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行有限元離散,網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。在模型的截?cái)噙吔缣幨┘羽椥匀斯み吔?,并令人工邊界參?shù)α=0.5、α=1.0。在模型中點(diǎn)(點(diǎn))處施加持時(shí)0.2 s、幅值為1 MN 的脈沖荷載,如圖8 所示。
圖7 均勻半空間模型Fig. 7 The homogeneous half-space model
圖8 脈沖荷載Fig. 8 The impulse load
根據(jù)以上模型參數(shù),分別采用式(6)、(21)和(26),給出的穩(wěn)定性條件及式(29)給出的穩(wěn)定性系數(shù)建議值,計(jì)算的模型不同區(qū)域的最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)見表3。
表3 均勻半空間模型的穩(wěn)定性系數(shù)和最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)Table 3 Stability coefficients and maximum stable time steps of the homogeneous model
分別采用不同的固定時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行顯式動(dòng)力計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)其穩(wěn)定性狀態(tài),結(jié)果見表4。提取失穩(wěn)時(shí)計(jì)算模型的位移云圖,如圖9 所示,并比較采用不同固定積分時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)模型底部角點(diǎn)(點(diǎn))的豎向位移,如圖10 所示。
表4 不同固定時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)均勻半空間模型的穩(wěn)定性狀態(tài)Table 4 The stability states of the homogeneous model under different fixed time steps
圖9 均勻半空間模型的位移分布Fig. 9 Displacement distributions of the homogeneous half-space model
圖10 均勻半空間模型底部角點(diǎn)的豎向位移Fig. 10 Vertical displacements of the corner point in the homogenous half-space model
由表3~4 和圖9~10,可以得到以下結(jié)論:本文中的采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法的穩(wěn)定性條件解析解可準(zhǔn)確判斷數(shù)值計(jì)算中的穩(wěn)定性狀態(tài);當(dāng)所積分時(shí)間步長(zhǎng)不滿足內(nèi)部計(jì)算域、側(cè)邊子系統(tǒng)或角點(diǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件時(shí),相應(yīng)區(qū)域分別發(fā)生失穩(wěn),失穩(wěn)狀態(tài)如圖9 所示;當(dāng)積分時(shí)間步長(zhǎng)滿足角點(diǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件時(shí),可順利完成整體模型的數(shù)值計(jì)算,即采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法的穩(wěn)定性條件由角點(diǎn)區(qū)控制;由于穩(wěn)定性系數(shù)的建議值比理論值更保守,采用本文中的穩(wěn)定性系數(shù)建議值確定的積分時(shí)間步長(zhǎng)可保證顯式動(dòng)力計(jì)算的順利完成。
為進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論在復(fù)雜場(chǎng)地中的適用性,建立成層半空間模型。如圖11 所示,模型尺寸為100 m×100 m,分為上下兩層,層厚均為50 m,上層介質(zhì)的密度、剪切波速和泊松比分別為1 800 kg/m、150 m/s 和0.28,下層介質(zhì)的密度、剪切波速和泊松比分別為2 200 kg/m、250 m/s 和0.35。采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行有限元離散,網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。在模型截?cái)噙吔缣幨┘羽椥匀斯み吔?,在模型中點(diǎn)(點(diǎn))處施加脈沖荷載(見圖8)。
圖11 成層半空間模型Fig. 11 The layered half-space model
由以上參數(shù)計(jì)算得到的成層半空間模型不同區(qū)域的穩(wěn)定性系數(shù)和最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)見表5,上層介質(zhì)及其側(cè)邊子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件比下層介質(zhì)的穩(wěn)定性條件更寬松,可以判斷該模型的數(shù)值積分穩(wěn)定性應(yīng)由下層介質(zhì)控制。分別采用不同的固定時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行顯式動(dòng)力計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)其穩(wěn)定性狀態(tài),結(jié)果見表6。提取失穩(wěn)時(shí)計(jì)算模型的位移云圖,如圖12 所示,并比較采用不同固定時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)模型底部角點(diǎn)(點(diǎn))的豎向位移,如圖13 所示。
圖12 成層半空間模型的位移分布Fig. 12 Displacement distributions of the layered half-space model
圖13 成層半空間模型底部角點(diǎn)的豎向位移Fig. 13 Vertical displacements of the corner point in the layered half-space model
表5 成層半空間模型的穩(wěn)定性系數(shù)與最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)Table 5 Stability coefficients and maximum stable time steps of the layered model
表6 采用不同固定時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)成層半空間模型的穩(wěn)定性狀態(tài)Table 6 The stability state of the layered model under different fixed time steps
由表5~6 和圖12~13,可以得到與第4.1 節(jié)相似的結(jié)論:本文中穩(wěn)定性條件解析解可準(zhǔn)確判斷采用不同積分時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行顯式動(dòng)力計(jì)算時(shí)整體模型的穩(wěn)定性狀態(tài);整體模型中同一層介質(zhì)的穩(wěn)定性由角點(diǎn)區(qū)域控制,在實(shí)際工程應(yīng)用中,令積分時(shí)間步長(zhǎng)滿足式(28)的穩(wěn)定性條件,或?qū)⒎e分時(shí)間步長(zhǎng)取為由式(29)給出的穩(wěn)定性系數(shù)建議值與內(nèi)部計(jì)算域臨界時(shí)間步長(zhǎng)的乘積,即可順利完成整體模型的顯式動(dòng)力計(jì)算。
以二維黏彈性人工邊界為研究對(duì)象,利用基于局部子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法研究其在顯式時(shí)域逐步積分算法中的穩(wěn)定性,并通過數(shù)值算例對(duì)穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性加以驗(yàn)證。具體結(jié)論如下。
(1)給出了采用黏彈性人工邊界時(shí),模型側(cè)邊和角點(diǎn)區(qū)域在顯式時(shí)域逐步積分算法中的穩(wěn)定性條件解析解,獲得了含黏彈性人工邊界的整體模型在顯示動(dòng)力計(jì)算中的統(tǒng)一穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則,在數(shù)值模擬時(shí)可利用該解析解對(duì)整體模型的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)判。
(2)考慮黏彈性人工邊界影響時(shí),整體模型的數(shù)值積分穩(wěn)定性條件比內(nèi)部計(jì)算域更嚴(yán)格,整體模型的穩(wěn)定性由角點(diǎn)區(qū)域控制。側(cè)邊和角點(diǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性條件僅與波源距與單元尺寸比/、泊松比和內(nèi)部計(jì)算域的穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)/有關(guān)。隨著/和的增大,人工邊界區(qū)的穩(wěn)定性變得寬松,當(dāng)/>5 時(shí),穩(wěn)定性條件基本保持不變。
(3)分析穩(wěn)定性條件的控制因素及其影響規(guī)律的,給出了采用黏彈性人工邊界時(shí)顯式時(shí)域逐步積分算法穩(wěn)定性系數(shù)的保守建議值。在實(shí)際應(yīng)用中,可直接采用該穩(wěn)定性系數(shù)建議值與內(nèi)部計(jì)算域臨界時(shí)間步長(zhǎng)的乘積,作為顯式動(dòng)力計(jì)算最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)的估計(jì)。