3DEC模拟系统(土、岩石和结构)对外部源或内部源激励(excitation)的非线性响应,它可以再现由于屈服而产生的永久运动的演变,在时域中对系统的完整动态响应进行模拟。以下类型的地质力学问题需要进行动力分析:
(1) 地震荷载 (seismic loading);
(2) 爆炸或冲击荷载 (explosive or impulsive loading);
(3) 矿震和岩爆 (seismic release of energy, rockbursts);
(4) 重力作用下颗粒的流动 (flow of particles under gravity).
这些情形的基本假设均与时间相关,几乎在所有情况下,感兴趣的时间都不到一分钟;在爆炸或冲击载荷的情况下,不到一秒。分析输入包括指定速度或应力波(stress-wave)、静(粘性)边界(quiet, viscous)、自由场( free-field)条件(地震模拟)和阻尼(damping)。
为了进行动力分析,首先需要进行分析配置,最主要的命令包括:
model configure dynamic
model large-strain on
此外,根据问题的特征,需要输入上述"约束"条件,例如粘性边界
block gridpoint apply viscous-x viscous-z range position-z -200
block gridpoint apply viscous-x viscous-z range position-z 200
和应力波
block face apply stress-xz 2e6 fish sin_ range position-z -200
3. 阻尼设置
自然动态系统包含系统内振动能量的阻尼 (由于摩擦、空气或流体阻力),否则系统在受到驱动力时将会无限振荡。3DEC中内置了两种类型的模拟阻尼:质量比例(mass-proportional)和刚度比例(stiffness-proportional)。质量比例阻尼施加与绝对速度和质量成比例的力,但方向与速度相反,而刚度比例阻尼向单元中的接触或应力施加一个力,该力与增量刚度矩阵乘以相对速度或应变率成正比。
在3DEC中,任一形式的阻尼都可以单独使用或组合使用(即瑞利阻尼, Rayleigh damping),麦克斯韦阻尼(Maxwell damping)为时域地震变形分析提供了瑞利阻尼的替代方案。使用麦克斯韦阻尼的数值计算时间可能只是瑞利阻尼所需时间的一小部分,麦克斯韦阻尼使大型 3D 场地响应和土-结构相互作用分析变得实用。
block mechanical damping maxwell
block mechanical damping combined
3DEC的动力输入可以使用速度历史记录或应力历史记录,对于加速度历史记录,需要首先对其进行数值积分,以生成3DEC的速度历史记录。3DEC提供了一个动力输入向导(dynamic input wizard)可用于地层运动(ground motion)的过滤和基线校正,并提供3DEC动态分析所需的数据。动力输入向导需要4步完成:
(1) 选择地层运动文件,导入文件格式可以是history (.his),或table (.tab), 或PEER (*.at2, *.vt2);选择地层运动是“加速度”还是“速度”;选择输入单位。
(2) 过滤。过滤项包括加速度、速度和位移,这些图显示了输入峰值及其三个变量随时间的变化,加速度(ft/s²)的输入峰值为 5.66,速度(ft/s)的输入峰值为0.762,位移(ft)的输入峰值为 1.00。Butterworth 滤波器用于过滤加速度频谱,设置了截止频率为25Hz,阶数为 6。此外,还有3个指标的过滤,第一个是加速度幅度谱:显示频率(Hz)和加速度(ft/s²)的关系,输入峰值为 0.212。
(3) 基线校正。加速度、速度、位移图显示了输入峰值及其三个变量随时间的变化,时间窗口起始时间为0秒,结束时间为 40.940 秒。