一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及渡槽結(jié)構(gòu)抗震分析技術(shù)領(lǐng)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(yīng)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為常見的輸水建筑物，大型渡槽在長距離調(diào)水、水資源優(yōu)化配置等方面發(fā)揮著 巨大的作用，其重要性不言而喻。渡槽結(jié)構(gòu)是一種特殊的薄壁輸水建筑物，其上部水體的質(zhì) 量往往大于槽體本身的質(zhì)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(jié)構(gòu) 的振動引發(fā)流體的運動，反過來流體的運動又改變著結(jié)構(gòu)的振動，屬于典型的流固耦合現(xiàn) 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(jié)構(gòu)抗震研宄的技術(shù)關(guān)鍵之一。
[0003] 目前，渡槽結(jié)構(gòu)的流固耦合分析方法主要有：Westergaard附加質(zhì)量法、H0USNER 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(zhì)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(yīng)槽內(nèi)水體的晃動；H0USNER模型簡單 易行，采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)來近似計算復(fù)雜的運動液體對固體產(chǎn)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(xiàn)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(wǎng)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(chǎn)生網(wǎng)格畸變而導(dǎo)致求解失敗，對水波發(fā)生重疊或破碎 的情況更是無能為力。
[0004] 綜合目前的研宄，大型渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析實際上有三個方面的問題有待 于進一步完善：1、應(yīng)采用原始非線性流體控制方程描述水體的運動。渡槽內(nèi)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。已有研宄結(jié)果表明，渡槽結(jié)構(gòu)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(tǒng)的求解。單純的自由面 晃動問題已有不少豐富的研宄成果，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(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)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LevelSet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(tǒng)方程。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007]根據(jù)本發(fā)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(yīng)分析方法，包 括如下步驟：
[0008] 步驟1、建立固體結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程；
[0009] 步驟2、采用原始的不可壓縮粘性流體，建立流體N-S方程；
[0010] 步驟3、采用LevelSet方法追蹤大幅晃動的界面，建立LevelSet函數(shù)控制方程；
[0011] 步驟4、建立流固耦合面rfs上控制方程；
[0012] 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。
[0013] 作為本發(fā)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(yīng)分析方法進 一步優(yōu)化方案，所述步驟1中固體結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程為：
【主權(quán)項】
1. 一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟1、建立固體結(jié)構(gòu)動力學(xué)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LevelSet方法追蹤大幅晃動的界面，建立LevelSet函數(shù)控制方程； 步驟4、建立流固耦合面rfs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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法， 其特征在于，所述步驟1中固體結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程為：
其中，Ms是質(zhì)量矩陣，C是阻尼矩陣，K為總體剛度矩陣，C=aMs+13K，a是第一瑞利 比例阻尼系數(shù)，0為第二瑞利比例阻尼系數(shù)，S為位移列陣，^為速度列陣，^為加速度列 陣，匕為外荷載向量，F(xiàn)f為流體作用于固體的荷載。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法， 其特征在于，所述步驟2中流體N-S方程為：
其中，P為密度，t為粘性應(yīng)力張量，rz/KW+Vi)，y為動力粘性系數(shù)，T為轉(zhuǎn)置 符號，fb為體力，.人=公+以0,g為重力加速度，&(0為外加激勵加速度向量，t為時間，u為流場速度，P為流場壓力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法， 其特征在于，所述步驟3中LevelSet函數(shù)控制方程為：
其中，P為距離函數(shù)且用來指示不同的流體區(qū)域，定義，為某空間點到交界面的符號 距離，在交界面以上為正，以下為負，而零值處代表了交界面；
其中，S()是符號函數(shù)，f是方程# +巧力=〇在櫨時刻的解，初始條件為 at 滬〇 = 0) = <，n表示第n時間步。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法， 其特征在于，所述步驟4中流固耦合面上的控制方程為：
其中，rfs為流固耦合面，j為流固耦合面上固體的速度，e為流固耦合面上流體的速 度，元為流固耦合面上固體的表面應(yīng)力，&為流固耦合面上流體的表面應(yīng)力，根據(jù)$得到固 體動力學(xué)方程中Ff的表達式：巧=_[，廠&，其中，ds為流固耦合面上微元的面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法， 其特征在于，所述步驟五具體如下： (1) 考慮流體作用于固體的荷載Ff，求解步驟1中已建立的固體結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，得到 位移S、速度^響應(yīng)量； (2) 以流固耦合面rfs上的固體運動速度^為邊界條件，計算步驟2中已建立的N-S方 程，得到流場速度u，流場壓力p; (3) 計算步驟3中已建立的LevelSet函數(shù)控制方程，捕捉自由表面； (4) 根據(jù)所述的初始條件列> =〇)= <，對步驟3中已建立的LevelSet函數(shù)控制方程 進行重新初始化； (5) 根據(jù)所述的C 計算流體作用于固體的荷載Ff，返回（1)進行迭代計算， 直到收斂后進入下一時間步的計算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮水體大幅晃動的渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法，本發(fā)明采用原始不可壓縮粘性流體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(tǒng)的流固耦合方程，從而建立了一種考慮三維水體大幅晃動的大型渡槽流固耦合地震反應(yīng)分析方法。本發(fā)明拋棄無旋、無粘理想流體假定，而采用原始的不可壓縮粘性N-S方程描述流體的運動，采用精度高、適應(yīng)性強的Level Set方法捕捉自由表面，真實模擬大型渡槽遭受強烈地震時的非線性大幅度晃動。
【IPC分類】G06F19-00, G01V1-28
【公開號】CN104809356
【申請?zhí)枴緾N201510258081
【發(fā)明人】趙蘭浩, 郭博文, 李同春
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月19日