• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

基于精细有限元的兵马俑抗震性能评估

秦立科 陈敏 段晓彤 周效丞

秦立科,陈敏,段晓彤,周效丞,2025. 基于精细有限元的兵马俑抗震性能评估. 震灾防御技术,x(x):1−10. doi:10.11899/zzfy20240176. doi: 10.11899/zzfy20240176
引用本文: 秦立科,陈敏,段晓彤,周效丞,2025. 基于精细有限元的兵马俑抗震性能评估. 震灾防御技术,x(x):1−10. doi:10.11899/zzfy20240176. doi: 10.11899/zzfy20240176
Qin Like, Chen Min, Duan Xiaotong, Zhou Xiaocheng. Seismic Performance Assessment of Terracotta Warriors Based on Fine Finite Elements[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention. doi: 10.11899/zzfy20240176
Citation: Qin Like, Chen Min, Duan Xiaotong, Zhou Xiaocheng. Seismic Performance Assessment of Terracotta Warriors Based on Fine Finite Elements[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention. doi: 10.11899/zzfy20240176

基于精细有限元的兵马俑抗震性能评估

doi: 10.11899/zzfy20240176
基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划项目资助(2017JQ5069)
详细信息
    作者简介:

    秦立科,男,生于1982年。副教授,硕士生导师。主要从事岩土文物加固研究与保护工作。E-mail:422576294@qq.com

    通讯作者:

    段晓彤,男,生于1982年。馆员。主要从事文物保护研究。E-mail:185317005@qq.com

Seismic Performance Assessment of Terracotta Warriors Based on Fine Finite Elements

  • 摘要: 为了分析兵马俑的地震响应情况并探讨不同因素对兵马俑抗震性能的影响,对武士俑进行建模与有限元计算。通过时程分析确定兵马俑的运动状态和启动滑移、摇晃的地面峰值加速度临界值,并以刚体运动理论进行对比,得到了摩擦系数、重心高度、地震大小、地震方向对兵马俑的抗震响应影响。结果表明,兵马俑在地震中会发生静止、滑移、滑移摇晃、摇晃或倾覆5种运动状态。随着摩擦系数和地震加速度增大、宽高比降低,兵马俑更容易在地震中发生摇晃或者倾覆,反之则更倾向于滑移或静止。当兵马俑发生倾覆时,颈部与腿部将发生断裂破坏,其余运动状态材料均未出现失效。俑的前后向最易失稳,该方向宽高比也最小。兵马俑地震响应的数值模拟结果与刚体理论分析基本一致,可以将兵马俑看做刚体并采用理论公式进行快速评估。
  • 图  1  泥条盘筑法制作兵马俑躯干

    Figure  1.  The trunk of the terracotta warriors is made by clay strips

    图  2  武士俑模型

    Figure  2.  Warrior figure model

    图  3  兵马俑模型

    Figure  3.  Terracotta Warriors model

    图  4  材料应力应变关系

    Figure  4.  Material stress and strain relationship

    图  5  有限元计算模型

    Figure  5.  Finite-element computational model

    图  6  Taft地震波加速度时程曲线

    Figure  6.  Time course curve of Taft seismic wave acceleration

    图  7  兵马俑模型M1地震响应情况

    Figure  7.  Earthquake response situation of the terracotta Warriors model M1

    图  8  兵马俑模型M2地震响应情况

    Figure  8.  Earthquake response situation of the terracotta Warriors model M2

    图  9  摩擦系数为0.1时模型M1的地震波加载结构响应

    Figure  9.  Failure sign of the seismic wave loading structure of model M1 when the friction coefficient is 0.1

    图  10  摩擦系数为0.1时模型M1的应力剖面图

    Figure  10.  Stress profile of model M1 with a friction coefficient of 0.1

    图  11  摩擦系数为0.55时模型M1的地震波加载结构响应

    Figure  11.  Failure sign of the seismic wave loading structure of model M1 when the friction coefficient is 0.55

    图  12  不同摩擦系数下模型M1的位移时程图像

    Figure  12.  Displacement time-course image of the model M1 with different friction coefficients

    图  13  不同摩擦系数下兵马俑最大安全地震峰值加速度地震响应

    Figure  13.  Peak acceleration seismic response of terracotta warriors under different friction coefficients

    图  14  武士俑结构示意图

    Figure  14.  Schematic diagram of the terracotta warriors

    图  15  宽高比为0.15和0.25时的兵马俑地震响应方式的判据区域划分

    Figure  15.  Regional division of the seismic response mode of terracotta warriors with aspect ratio of 0.15 and 0.25

    表  1  两个模型的几何参数

    Table  1.   The geometric parameters of the two models

    模型总高度/cm实心部分高度/cm重心离地高度/cm网格数量
    M1186.1325.4073.028404779
    M2186.1345.2178.173668570
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    表  2  模型的计算参数

    Table  2.   The calculation parameters of the models

    杨氏模量/MPa密度/(kg·m−3泊松比极限抗拉强度/MPa
    100019000.211.5
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    表  3  模型的宽高比

    Table  3.   The aspect ratio calculation of the model

    模型方向宽高比
    M1(实体高度最小)0/180°0.28
    45°/225°0.34
    90°/270°0.15
    135°/315°0.32
    M2(实体高度最大)0/180°0.26
    45°/225°0.33
    90°/270°0.16
    135°/315°0.30
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-12
  • 录用日期:  2024-12-05
  • 修回日期:  2024-12-05
  • 网络出版日期:  2025-09-16

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