岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 1605-1619.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0997CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.0997

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

基于混合有限元的显式时域完美匹配层研究

周鹏发1,申玉生1, 2,高登1,张熙1,黄海峰1,高波1   

  1. 1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心,四川 成都 611756
  • 收稿日期:2024-08-13 接受日期:2024-11-26 出版日期:2025-05-06 发布日期:2025-05-07
  • 通讯作者: 申玉生,男,1976年生,博士,教授,主要从事隧道与地下工程抗减震技术理论方面的教学与研究工作。E-mail: sys1997@163.com
  • 作者简介:周鹏发,男,1993年生,博士研究生,主要从事隧道与地下工程抗减震理论等方面的研究工作。E-mail: zpf@my.swjtu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No.52278414)。

Explicit time-domain perfectly matched layers base on mixed finite element method

ZHOU Peng-fa1, SHEN Yu-sheng1, 2, GAO Deng1, ZHANG Xi1, HUANG Hai-feng1, GAO Bo1   

  1. 1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China; 2. National Engineering Research Center of Geological Disaster Prevention Technology in Land Transportation, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 611756, China
  • Received:2024-08-13 Accepted:2024-11-26 Online:2025-05-06 Published:2025-05-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52278414).

摘要: 为解决岩土动力学分析中的外行波吸收问题,提出了一种基于中心差分法的显式混合有限元时域完美匹配层(perfectly matched layer,简称PML)。推导了适用于显式积分的二维及三维有限元半离散方程,并构建了二维应力-位移场混合单元Q4/4和三维应力-位移场混合单元HEX8/8进行空间离散,提出了一种适用于三阶动力方程的扩展中心差分法显式积分格式,并将其应用于求解三维时域完美匹配层方程。基于ABAQUS/Explicit进行了程序实现,开展数值试验分析了该人工边界在不同地层类型、波动类型、波动频率及边界厚度等条件下的吸收性能。结果表明:各计算工况下完美匹配层均能有条件的收敛;当完美匹配层厚度大于10层单元时,各工况截断模型响应与扩大模型响应的归一化均方根偏差均小于2%。所提出的积分格式及数值实现方案具有良好的稳定性和计算精度,不同地层条件下完美匹配层对不同类型及不同频率的外行波均表现出良好的吸收性能。研究成果在岩土动力学分析领域具有广泛的应用前景。

关键词: 人工边界, 完美匹配层, 混合有限元, ABAQUS, 弹性波, VUEL

Abstract:

 To address the challenge of absorbing outgoing waves in geotechnical dynamic analysis, an explicit mixed finite element time-domain perfectly matched layer (PML) based on the central difference integration scheme is proposed. The two-dimensional and three-dimensional semi-discrete finite element equations suitable for explicit integration were derived. A two-dimensional stress-displacement mixed element Q4/4 and a three-dimensional stress-displacement mixed element HEX8/8 were developed for spatial discretization. An extended central difference explicit integration scheme was proposed to solve the third-order dynamic equations arising from the three-dimensional PML formulation. The implementation was carried out in ABAQUS/Explicit, and several numerical experiments were conducted to analyze the absorption performance of the artificial boundary under varying conditions, including soil types, wave types, wave frequencies, and boundary thickness. The results indicate that the PML achieves conditional convergence under all computational conditions. When the PML thickness exceeds 10 elements, the normalized root mean square deviation between the truncated and enlarged model responses is less than 2%. The proposed integration scheme and numerical implementation exhibit good stability and computational accuracy. For different soil types, the PML demonstrates excellent absorption performance for outgoing waves of various types and frequencies. The research findings have broad applications in the geotechnical dynamic analysis.

Key words: artificial boundary, perfectly matched layer, mixed finite element, ABAQUS, elastic waves, VUEL

中图分类号: U 25;P 315.9
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