采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件

刘晶波 宝鑫 李述涛 王菲

刘晶波, 宝鑫, 李述涛, 王菲. 采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(3): 034201. doi: 10.11883/bzycj-2021-0196
引用本文: 刘晶波, 宝鑫, 李述涛, 王菲. 采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(3): 034201. doi: 10.11883/bzycj-2021-0196
LIU Jingbo, BAO Xin, LI Shutao, WANG Fei. Stability conditions of explicit algorithms when using viscoelastic artificial boundaries[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(3): 034201. doi: 10.11883/bzycj-2021-0196
Citation: LIU Jingbo, BAO Xin, LI Shutao, WANG Fei. Stability conditions of explicit algorithms when using viscoelastic artificial boundaries[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(3): 034201. doi: 10.11883/bzycj-2021-0196

采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件

doi: 10.11883/bzycj-2021-0196
基金项目: 国家自然科学基金(U1839201,51878384);国家重点研发计划(2018YFC1504305);中国博士后科学基金(2020M680575);博士后创新人才支持计划(BX20200192);清华大学“水木学者”计划(2020SM005)
详细信息
    作者简介:

    刘晶波(1956- ),男,博士,教授,liujb@tsinghua.edu.cn

    通讯作者:

    宝 鑫(1992- ),男,博士,助理研究员,baox@tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: O345; TU311

Stability conditions of explicit algorithms when using viscoelastic artificial boundaries

  • 摘要: 黏弹性人工边界是处理无限域波动问题常用的数值模拟方法。采用显式时域逐步积分算法进行计算时,受黏弹性人工边界的阻尼、刚度等影响,人工边界区的稳定性比内部计算域的更严格,尚无明确、实用的稳定性判别准则,这限制了黏弹性人工边界在显式动力分析中的应用。针对二维黏弹性人工边界,利用基于局部子系统的稳定性分析方法和基于传递矩阵谱半径的稳定性判别准则,给出了可代表整体模型局部特征的不同边界子系统的稳定性条件解析解。通过对比分析不同计算区域的稳定性条件及其影响因素,证明了整体模型的稳定性由角点子系统控制。在此基础上,获得了含黏弹性人工边界的整体模型在显示动力计算中的统一稳定性判别准则和简化实用计算方法。在实际应用中,令积分时间步长满足稳定性条件,即可顺利完成整体模型的动力计算。以上研究可为将黏弹性人工边界应用于显式动力计算时积分时间步长的合理选取提供参考。
  • 图  1  黏弹性人工边界

    Figure  1.  Schematic diagram of viscoelastic artificial boundaries

    图  2  基于局部子系统的稳定性分析

    Figure  2.  Stability analysis based on local subsystems

    图  3  二维半无限空间近场有限元模型及二维平面应变单元

    Figure  3.  Two-dimensional semi-infinite near-field finite element model and two-dimensional plane strain element

    图  4  稳定性条件的比较

    Figure  4.  Comparison of stability conditions

    图  5  不同R/L时稳定性系数γ随泊松比μ的变化

    Figure  5.  Variations of stability coefficient γ with Poisson’s ratio μ under different R/L

    图  6  不同泊松比μ时稳定性系数γR/L的变化

    Figure  6.  Variations of stability coefficient γ with R/L under different Poisson’s ratio μ

    图  7  均匀半空间模型

    Figure  7.  The homogeneous half-space model

    图  8  脉冲荷载

    Figure  8.  The impulse load

    图  9  均匀半空间模型的位移分布

    Figure  9.  Displacement distributions of the homogeneous half-space model

    图  10  均匀半空间模型底部角点的竖向位移

    Figure  10.  Vertical displacements of the corner point in the homogenous half-space model

    图  11  成层半空间模型

    Figure  11.  The layered half-space model

    图  12  成层半空间模型的位移分布

    Figure  12.  Displacement distributions of the layered half-space model

    图  13  成层半空间模型底部角点的竖向位移

    Figure  13.  Vertical displacements of the corner point in the layered half-space model

    表  1  二维黏弹性人工边界参数的数据[23]

    Table  1.   The values of two-dimensional viscoelastic artificial boundary coefficients[23]

    参数范围建议
    αT0.35~0.650.5
    αN0.80~1.201.0
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    表  2  建议的几种常见情况的稳定性系数

    Table  2.   Recommended stability coefficients for several common cases

    R/Lγ
    μ=0.10μ=0.15μ=0.20μ=0.25μ=0.30μ=0.35μ=0.40
    10.470.480.490.500.510.530.55
    50.500.500.510.520.530.550.57
    100.500.510.510.520.530.550.57
    200.500.510.520.530.540.550.57
    500.500.510.520.530.540.550.57
    +∞0.510.510.520.530.540.550.57
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    表  3  均匀半空间模型的稳定性系数和最大稳定时间步长

    Table  3.   Stability coefficients and maximum stable time steps of the homogeneous model

    模型分区稳定性系数γ 最大稳定时间步长Δt/s
    计算建议计算建议
    内部区域1.000.50 0.002 70.001 35
    侧边子系统0.740.50 0.002 00.001 35
    角点子系统0.520.50 0.001 40.001 35
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    表  4  不同固定时间步长时均匀半空间模型的稳定性状态

    Table  4.   The stability states of the homogeneous model under different fixed time steps

    时间步长$ {{\Delta }}t$/s稳定性系数γ稳定性状态
    0.003 0 1.11内部首先失稳
    0.002 7 1.00侧边首先失稳
    0.002 0 0.74角点首先失稳
    0.001 4 0.52稳定计算
    0.001 350.50稳定计算
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    表  5  成层半空间模型的稳定性系数与最大稳定时间步长

    Table  5.   Stability coefficients and maximum stable time steps of the layered model

    介质模型分区稳定性系数γ 最大稳定时间步长Δt/s
    计算建议 计算建议
    上层内部区域1.000.5 0.003 70.000 95
    侧边子系统0.760.5 0.002 80.000 95
    下层内部区域1.000.5 0.001 90.000 95
    侧边子系统0.790.5 0.001 50.000 95
    角点子系统0.590.5 0.001 10.000 95
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    表  6  采用不同固定时间步长时成层半空间模型的稳定性状态

    Table  6.   The stability state of the layered model under different fixed time steps

    时间步长$ {{\Delta }}t$/s稳定性系数γ稳定性状态
    0.002 01.05内部首先失稳
    0.001 91.00侧边首先失稳
    0.001 50.79角点首先失稳
    0.001 00.53稳定计算
    0.000 950.50稳定计算
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-17
  • 修回日期:  2021-07-17
  • 网络出版日期:  2022-03-02
  • 刊出日期:  2022-04-07

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