二阶声波方程非分裂式CPML实施新方法

完全匹配层(PML)是处理波动方程数值模拟中模型边界反射问题的常用方法,在时间域有限差分(FD)波场数值模拟中得到了广泛的应用.早期的PML技术存在对于近切入射和低频反射吸收效果较差的问题,由此产生了复频移PML(CFS-PML)模型边界反射压制法,其中基于递归卷积技术的复频移PML(CPML),由于其算法在时间域的高效性,被广泛应用于时间域一阶方程的数值模拟.一阶波动方程CPML边界条件是非常成熟的方法,但是二阶方程, CPML方法还需要进一步发展研究.目前,二阶方程的CPML处理方法需要引入辅助方程或者辅助变量,导致计算量增加,从而对数值模拟效率产生一定的影响.本文提出了一种分区域两步法CPML实施策略,简称为TS-CPML. TS-CPML通过对二阶CPML控制方程进行两步有限差分进行数值模拟,从而避免计算引入辅助变量的新二阶偏微分方程或其他辅助方程,具有计算效率高、编程易于实现等特点.我们将该方法应用于二阶声波方程和TTI介质二阶拟声波方程组,数值模拟显示,在相同参数下,由模型边界产生的反射波振幅约为传统二阶方程CPML方法的50%以上,验证了TSCMPL技术的优越性.     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此，本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟，发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组，然后对该方程组进行DG空间离散，得到半离散化的常微分方程组.最后，对此常微分方程组，应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明，DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程，并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散，获得清晰的各种地震波震相.     

二维SH波方程的半解析解及其数值模拟

本文以波动理论为基础, 半解析化求解地震勘探中常用的SH波方程. 获得的主要结果包括: 给出了二维均匀介质中SH波方程的解析解; 利用Cagniard-de Hoop方法详细推导了二维双层介质中SH波方程的解析解, 获得了透射波的解析解表达式. 同时, 基于SH波方程的解析表达式, 给出了包含各种波(如直达波、反射波、首波以及透射波)的解析解和波形图. 对于比较复杂的积分型解析解, 利用数值积分方法给出了数值结果, 并与优化的近似解析离散化方法(ONADM)和4阶Lax-Wendroff修正方法(LWC)的数值结果进行了比较, 以验证解析解的正确性. 本文的研究成果有望在检验波动方程数值新方法的有效性、波传播理论分析等方面得到应用.     

基于改进模态参数灵敏度法的结构损伤识别研究

推导了模态参数对于损伤构件的一阶和二阶灵敏度矩阵,并对在推导一阶和二阶振型灵敏度的过程中产生的模态截尾误差进行了改进。根据泰勒级数展开的原理分别建立了一阶和二阶的灵敏度方程。考虑到一阶灵敏度方程求解速度快和二阶灵敏度方程求解精度高的特点,本文提出了一种用于结构损伤识别的混合迭代算法,该算法用二阶非线性的解析解作为算法的第一次迭代值,用一阶灵敏度方程的求解值对该算法的第一次迭代值进行关于泰勒级数截尾误差的修正。研究表明,本文提出的混合迭代算法由于采用了精确度较高的二阶非线性解析解作为迭代修正的初值,因此,迭代修正精度更高,收敛性更好。     

隔震悬挂结构体系的单质点等效动力计算模型

通过研究双质点模型自由振动特性发现,当质量比与刚度比在某一特定范围内时,二阶振型的贡献度远小于一阶振型的.因此,隔震悬挂结构可由双质点模型等效简化为单质点模型进行计算分析.数值计算对比分析结果表明:由等效单质点模型计算的体系基本自振频率与双质点模型的一阶频率非常接近,最多相差0.3% 左右;两种模型计算的被悬挂结构相对...     

一个近似的VTI介质声波方程

声学近似是提高各向异性介质准纵波数值模拟和偏移处理计算速度的有效方法之一.为了获得VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)介质声波方程,根据VTI介质的精确相速度表达式,用待定系数法简化其中的根号项,得到一个近似相速度公式,由此公式通过反Fourier变换推导出一个时间二阶、空间四阶偏微分方程.定量相速度计算表明,当Th...     

欧拉梁动力反应初边值问题的微分求积解

动荷载作用下欧拉梁动响应的计算是一个初边值问题,通常很难得到解析解,传统数值方法一般是把空间和时间分别离散进行求解,计算相对复杂,效率也不高.针对分布动荷载作用下欧拉梁的振动偏微分方程,采用传统微分求积法,在空间和时间上同时进行离散;对于所有非0阶的初/边值条件,采用嵌入法在权系数计算中予以考虑.算例的数值结果与精确解的对比证明采用传统微分求积法处理此问题是可行的,而且是高效的.对于实际工程中的其他类似问题,该方法同样适用.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征，提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格，连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子，推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项，可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差，有效地减少模拟结果的数值频散，提高模拟精度.然而，在非均匀介质中，直接计算该二阶的波场延拓算子，每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换，其中N是总的网格点数.为了减少计算量，提出了交错网格低秩分解方法；针对常规有限差分数值频散问题，本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合，提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明，交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度，对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

一种模拟非均匀介质中弹性波传播新的k-space方法

传统的伪谱(PS)方法,采用傅里叶变换(FT)计算空间导数具有很高的精度,每个波长仅需要两个采样点,而时间导数采用有限差分(FD)近似因而精度较低.当采用大时间步长时,由于时空精度不平衡,PS法存在不稳定性问题.原始的k-space方法可以有效地克服这些问题但是却无法适用于非均匀介质.为了提高原始k-space方法模拟非均匀介质波动方程的精度,我们提出了一种新的k-space算子族.它是用非均匀介质的变速度代替原k-space算子中的常数补偿速度构造得到,引入低秩近似可以高效求解.我们将构造的新的k-space算子应用于耦合的二阶位移波动方程,而不是交错网格一阶速度应力波动方程,使模拟弹性波的计算存储量减少.我们从数学上证明了基于二阶波动方程的k-space方法与基于一阶波动方程的k-space方法是等价的.数值模拟实验表明,与传统的PS、交错网格PS和原始的k-space方法相比,我们的新方法可以在时间和空间步长较大的均匀和非均匀介质中,为弹性波的传播提供更精确的数值解.在保持稳定性和精度的同时,采用较大的时空采样间隔,可以大大降低数值模拟的计算成本.     

岁差章动极移对轨道根数的影响

基于岁差章动和极移的理论模型,以及卫星受摄运动的高斯方程,本文研究了岁差章动和极移对开普勒轨道根数的影响.除了定性分析的理论推导外,本文还根据定性理论公式给出了定量的计算分析,从而获得了卫星轨道解析理论中处理岁差章动极移所需要的理论依据.岁差章动对开普勒轨道根数的影响是比摄动力低一阶的,极移的影响是低二阶的.因此对于一阶轨道解析理论,岁差章动和极移的影响全部是二阶的从而可以忽略不计.对于卫星轨道二阶解析理论,仅一阶摄动力需要考虑岁差章动的影响,其余可以全部忽略不计.由于只有地球扁率摄动是一阶的,所以只有地球扁率摄动J_2项需要考虑岁差章动的影响.在定轨时间段小于三天时,岁差章动在这期间的变化量是二阶,所以可以把岁差章动的影响看成是不变的.本文结论对解析定轨具有指导意义.     

Analysis of floodplain inundation using 2D nonlinear diffusive wave equation solved with splitting technique

In the paper a solution of two-dimensional (2D) nonlinear diffusive wave equation in a partially dry and wet domain is considered. The splitting technique which allows to reduce 2D problem into the sequence of one-dimensional (1D) problems is applied. The obtained 1D equations with regard to x and y are spatially discretized using the modified finite element method with the linear shape functions. The applied modification referring to the procedure of spatial integration leads to a more general algorithm involving a weighting parameter. Time integration is carried out using a two-level difference scheme with the weighting parameter as well. The resulting tri-diagonal systems of nonlinear algebraic equations are solved using the Picard iterative method. For particular sets of the weighting parameters, the proposed method takes the form of a standard finite element method and various schemes of the finite difference method. On the other hand, for the linear version of the governing equation, the proper values of the weighting parameters ensure an approximation of 3rd order. Since the diffusive wave equation can be solved no matter whether the area is dry or wet, the numerical computations can be carried out over entire domain of solution without distinguishing a current position of the shoreline which is obtained as a result of solution.     

A practical numerical method for large strain liquefaction analysis of saturated soils

Accurate prediction of the liquefaction of saturated soils is based on strong coupling between the pore fluid phase and soil skeleton. A practical numerical method for large strain dynamic analysis of saturated soils is presented. The u–p formulation is used for the governing equations that describe the coupled problem in terms of soil skeleton displacement and excess pore pressure. A mixed finite element and finite difference scheme related to large strain analysis of saturated soils based on the updated Lagrangian method is given. The equilibrium equation of fluid-saturated soils is spatially discretized by the finite element method, whereas terms associated with excess pore pressure in the continuity equation are spatially discretized by the finite difference method. An effective cyclic elasto-plastic constitutive model is adopted to simulate the non-linear behavior of saturated soils under dynamic loading. Several numerical examples that include a saturated soil column and caisson-type quay wall are presented to verify the accuracy of the method and its usefulness and applicability to solutions of large strain liquefaction analysis of saturated soils in practical problems.     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

三角网格有限元法声波与弹性波模拟频散分析

本文对声波与弹性波方程进行有限元法离散,构造有限元法频散关系的一般特征值问题,分析了时间离散格式为中心差分的三角网格有限元法声波与弹性波模拟的频散特性. 比较了三种质量矩阵即分布式质量矩阵、集中质量矩阵和混合质量矩阵对有限元法频散的影响;选取四种典型三角网格,分析了混合质量矩阵有限元（MFEM）频散的方向各向异性;数值频散、方向各向异性随插值阶数的增加逐渐减弱,当空间为三阶插值时,频散主要表现为随采样率的变化而几乎无明显方向各向异性, 其频散幅值也较小. 控制其他影响因素不变的情况下,研究了不同波速比介质中弹性波的数值频散. 最后给出了三角网格MFEM的数值耗散性.     

A central difference method with low numerical dispersion for solving the scalar wave equation

In this paper, we propose a nearly‐analytic central difference method, which is an improved version of the central difference method. The new method is fourth‐order accurate with respect to both space and time but uses only three grid points in spatial directions. The stability criteria and numerical dispersion for the new scheme are analysed in detail. We also apply the nearly‐analytic central difference method to 1D and 2D cases to compute synthetic seismograms. For comparison, the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method are used to model acoustic wavefields. Numerical results indicate that the nearly‐analytic central difference method can be used to solve large‐scale problems because it effectively suppresses numerical dispersion caused by discretizing the scalar wave equation when too coarse grids are used. Meanwhile, numerical results show that the minimum sampling rate of the nearly‐analytic central difference method is about 2.5 points per minimal wavelength for eliminating numerical dispersion, resulting that the nearly‐analytic central difference method can save greatly both computational costs and storage space as contrasted to other high‐order finite‐difference methods such as the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method.     

起伏地表下基于改进BISQ模型双相介质中曲线网格有限差分法波场模拟

本文以基于改进BISQ模型的二维双相各向同性介质一阶速度-应力方程为基础，推导出了曲线坐标系下对应的方程，然后采用低频散、低耗散的同位网格MacCormack有限差分法来离散方程，并采用紧致的单边MacCormack差分格式结合牵引力镜像法来施加自由地表边界条件，实现了地震波场数值模拟.曲线网格有限差分法采用贴体网格来描述自由表面，地表的网格线紧贴地形，避免了台阶近似造成的数值散射.数值模拟结果表明，在双相介质起伏自由地表和分界面处，各类波型复杂的反射透射规律可以清晰展现，曲线网格有限差分法可以精确地解决地震波在含起伏地表的双相各向同性介质中的传播问题.     

模拟震源动力学破裂过程的数值方法研究

为模拟震源的动力学破裂过程,本文讨论一种求解剪切裂纹动力学扩展问题的有限差分法。在研究二维反平面破裂的基础上,我们把所用方法推广到三维问题。研究了许多简单震源模型,通过对比同一问题的解析解和其它数值解,对方法的正确性和计算精度进行了检验,结果表明我们的数值方法是可行的。最后,作为初步应用的例子,我们研究了非均匀断层的自发破裂问题。     

Theory of equivalent staggered‐grid schemes: application to rotated and standard grids in anisotropic media

The previous finite‐difference numerical schemes designed for direct application to second‐order elastic wave equations in terms of displacement components are strongly dependent on Poisson's ratio. This fact makes theses schemes useless for modelling in offshore regions or even in onshore regions where there is a high Poisson's ratio material. As is well known, the use of staggered‐grid formulations solves this drawback. The most common staggered‐grid algorithms apply central‐difference operators to the first‐order velocity–stress wave equations. They have been one of the most successfully applied numerical algorithms for seismic modelling, although these schemes require more computational memory than those mentioned based on second‐order wave equations. The goal of the present paper is to develop a general theory that enables one to formulate equivalent staggered‐grid schemes for direct application to hyperbolic second‐order wave equations. All the theory necessary to formulate these schemes is presented in detail, including issues regarding source application, providing a general method to construct staggered‐grid formulations to a wide range of cases. Afterwards, the equivalent staggered‐grid theory is applied to anisotropic elastic wave equations in terms of only velocity components (or similar displacements) for two important cases: general anisotropic media and vertical transverse isotropy media using, respectively, the rotated and the standard staggered‐grid configurations. For sake of simplicity, we present the schemes in terms of velocities in the second‐ and fourth‐order spatial approximations, with second‐order approximation in time for 2D media. However, the theory developed is general and can be applied to any set of second‐order equations (in terms of only displacement, velocity, or even stress components), using any staggered‐grid configuration with any spatial approximation order in 2D or 3D cases. Some of these equivalent staggered‐grid schemes require less computer memory than the corresponding standard staggered‐grid formulation, although the programming is more evolved. As will be shown in theory and practice, with numerical examples, the equivalent staggered‐grid schemes produce results equivalent to corresponding standard staggered‐grid schemes with computational advantages. Finally, it is important to emphasize that the equivalent staggered‐grid theory is general and can be applied to other modelling contexts, e.g., in electrodynamical and poroelastic wave propagation problems in a systematic and simple way.     

选择性滤波同位网格有限差分法在地震波数值模拟中的应用.

引入计算空气声学领域的选择性滤波同位网格有限差分算法（SFFD法）用于二维地震波数值模拟．SFFD法使用经过优化的11点DRP同位网格差分格式,对空间一阶导数进行离散近似,同时采用选择性滤波方法来消除同位网格差分所产生的格点高频振荡,它既提高了数值模拟的精度, 又保证了求解过程的稳定性．数值实验结果表明,SFFD法能够达到O(Delta;x8, Delta;t4)阶交错网格算法同样的精度,同时该方法还具有很强的适应性,能够应用于存在着强泊松比差异的介质模型中,完整地模拟地震波传播过程中各类型的波场,并且对复杂非均匀介质的适应能力也很好．此外,由于避免了交错网格算法在曲线坐标系和一般各向异性介质的数值模拟时所需进行的复杂的插值运算, SFFD法在这些问题上也有着很好的应用前景．      

渗透率场敏感系数的数值计算

由渗流微分方程定解问题，利用格林互易定理从理论上导出了渗透率场敏感系数 的计算公式，并借助于数值积分和差分方法给出了渗透率场敏感系数的离散形式. 由Peacem an方程建立了井压渗透率场敏感系数与网格压力渗透率场敏感系数的关系. 对理论模型利用 三维不均匀非稳定渗流场的压强数值解计算了井压对渗透率场的敏感系数，并用敏感系数的 直接计算方法进行了验证，结果表明本文的计算方法与直接计算方法相吻合.