多源条件下直流电阻率法有限元三维数值模拟中一种近似边界条件

在多源直流电阻率法有限元三维数值模拟中,传统混合边界条件由于刚度矩阵与源点位置相关,无法实现线性方程组的快速回代求解,目前常用齐次边界条件或无限元边界进行替代,虽然实现了快速回代求解,但同时也降低了数值模拟的精度.为了实现快速回代求解,并确保数值模拟的计算精度,本文提出了一种近似边界条件方法.其核心思想是将与场源位置相关的边界系数矩阵从刚度矩阵中分离出来,使得分离后的刚度矩阵与场源位置无关.并将边界系数矩阵与边界处一次电场向量的乘积移到线性方程组右端源项中,当场源位置发生改变时,只需要重新计算右端源项就可以实现快速回代求解.理论模型数值计算表明,在水平地形条件下,本文边界条件数值精度优于混合边界条件;在起伏地形条件下,与齐次边界条件相比,本文边界条件数值结果与混合边界条件吻合度更高.     

基于吸收边界条件的瞬变电磁法三维矢量有限元快速正演

瞬变电磁法的三维有限元正演通常采用齐次边界条件,为满足该边界条件,需要构建较大尺寸的模型,这降低了正演问题的求解速度.针对该问题,本文采用吸收边界条件代替齐次边界条件,以缩小模型体积,加快正演速度:首先,从时间域麦克斯韦方程组出发,推导了基于库伦规范的矢量势的微分控制方程,结合一阶吸收边界条件推导了相应的的弱形式方程;在此基础上采用一阶四面体矢量单元进行单元分析、Newmark法进行时间离散,实现了瞬变电磁法的快速三维正演.通过均匀半空间模型的解析解,H型地电断面的CR1Dmod解和相应模型有限元解的对比,验证了本文算法的正确性.均匀半空间模型分别采用吸收边界条件和齐次边界条件的正演结果对比表明:吸收边界条件确实可以提高三维正演的精度或者缩小模型尺寸、加快计算速度.     

基于MLS形函数处理边界的电阻率法有限单元正演模拟

电阻率法有限单元正演模拟中,采用第三类边界条件时为保证精度仍要求较大范围的计算域.无单元法为地球物理领域的新兴正演模拟方法,其计算效率低,但其中采用的移动最小二乘(MLS)形函数相比于有限单元法形函数具有良好的连续性,模拟精度高.本文将MLS形函数应用于电阻率法有限单元2.5维正演的第三类边界条件处理,提出电阻率法有限单元-移动最小二乘(FEM-MLS)耦合正演方法.通过不同正演方法的模型算例模拟结果对比,验证了本文算法的有效性,并讨论了各个参数选择对模拟结果的影响.本文数值模拟结果表明采用第三类边界条件时,在同等计算精度前提下,FEM-MLS耦合法相比于有限单元法可进一步缩小计算域并提高了计算效率,相比于采用较大计算域满足边界条件的有限单元法计算效率提高了约一倍,相比于采用相同小范围计算域的有限单元法平均精度提高了约一倍.     

三维直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟

为解决传统有限元截断边界所引起的问题,本文提出了一种新的三维直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟方法.首先推导了无限元三维单元映射函数,然后提出了一种全新的最优的无限元形函数并与多种其他形函数进行了对比,随后将其与非结构化四面体有限元相结合,取代了传统的混合边界条件,使得电位在无限域内连续并在无限远处衰减为零,最终形成的左端矩阵稀疏对称并与场源位置无关.数值计算表明,该方法可以在近似测区大小的计算范围内得到与混合边界条件相当的计算精度,优于相同计算范围下齐次边界条件的解,有利于减少计算节点数;由于左端矩阵不随场源位置改变,有利于加速反演计算.     

线源三维井地电法异常边界增强及地形校正技术

基于非结构网格有限元方法开展了三维复杂地电模型的线源井地电法的高效正演模拟研究,探讨了通过求取电场响应导数来刻画目标体边界范围、采用差异场地形校正技术来消除地形影响等措施对井地电法成像的效果和精度的影响。并通过对比与解析解,验证了本文数值解算法的有效性。模型计算结果表明：积水巷道的空间位置和走向均会引起视电阻率的显著变化,视电阻率变化率的极值准确且清晰地指示了巷道边界的位置;电位的归一化总水平导数极大地提高了井地电法对目标体复杂边界位置的识别能力;地形对井地电场分布的影响也很大,其视电阻率响应与地形形状近似呈对称关系,利用差异场技术能有效地削弱地形对井地电法高精度成像的影响。     

复电阻率法二维有限元数值模拟

伴随着复电阻率法的广泛应用，发展精确和快速的正演和反演算法成为复电阻率法研究的重点.本文采用基于三角单元剖分的有限单元法进行了复电阻率二维数值模拟研究.为了提高计算速度，对无穷远边界进行了近似处理.整个正演计算过程分为两步，首先采用有限单元法计算四个不同频率的视复电阻率数据，然后对前一步得到的视复电阻率数据采用递推算法计算视Cole-Cole参数.采用这种正演算法与一维正演的结果进行了对比，验证了本文方法的正确性.设计了两个二维极化模型，数值模拟结果表明视复电阻率和Cole-Cole视参数等值线断面图对于异常目标体都有比较明显的反映.     

基于第三类边界条件的大地电磁三维矢量有限元任意各向异性正演

地球内部介质的各向异性对地球物理场解译有很大影响,研究各向异性介质中大地电磁响应具有重要的意义.边界条件是影响电磁场正演精度的一个关键因素,其中第一类边界条件需要将底面边界设置在离异常体足够远的地方,面临着计算规模大、求解速度慢的问题.相比第一类边界条件,第三类边界条件具有计算规模更小、计算精度更高的优点,在三维各向同性正演中被广泛使用.然而,各向异性使得第三类边界条件理论变得更为复杂,目前尚未见到采用第三类边界条件的大地电磁三维各向异性正演.本文推导出各向异性介质中三维矢量有限元底界面的第三类边界条件,通过模型计算对算法的可靠性和精度进行了验证.结果表明,当精度相同时,第三类边界条件的计算规模可以更小;而当底界面离异常体较近时,第三类边界条件有着更高的精度.     

三维电阻率测深数据Zohdy近似反演方法

Zohdy方法近似反演三维电阻率测深数据。正演计算采用有限单元法。反演初始模型由测量视电阻率数据给出。通过比较实测视电阻率值和预测模型计算的视电阻率值对数差来修改模型网格电阻率．为了解决任意电极距测深数据的反演,采用大、小双网格剖分。大网格反映地下电性分布情况。小网格用于实际有限元正演计算．在电阻率调整公式中加入一个迭代系数,能够加快收敛速度．并对加5％随机噪声的模型理论视电阻率测深断面数据进行反演,得到的电阻率分布与模型电阻率基本一致．     

电法勘探正演数值模拟的若干结果

本文前一部分叙述了点源二维电阻率法数值模拟正演计算的有限单元法,文中采用混合边界条件、用LL~T分解解线性方程组等优化措施,使二维有限单元法电阻率法正演计算的速度和精度都比目前国外流行的L.Rijo方法和程序有了进一步的提高。文中介绍了有关的方法并引入了若干计算结果。本文后一部分叙述了三维电阻率法数值模拟的积分方程近似解法,由于对K.Dieter等人提出的方法作了一些近似处理,并用迭代法求解积分方程表示式,实算结果说明在保证计算精度的条件下,提高了计算速度,从而提高了三维电场正演计算的有效性和实用性。所提出的方法容易推广到激发极化法的正演计算中。     

电位双二次变化二维地电断面电阻率测深有限元数值模拟

以异常电位为研究对象,给出了一种新的二维地电断面电阻率测深的有限元数值模拟方法.该方法与以往这类方法的主要区别在于,网格单元中的电导率采用双线性插值,电位则用二次函数进行双二次插值,从而使得电位的正演结果以及由电位导出的视电阻率更加符合实际地电场的变化规律;另外,有限元网格单元数也大为减少.对几例模型的试算结果表明,文中提出的计算方法是行之有效的.     

时域瞬变电磁法三维有限差分正演技术研究

瞬变电磁法应用广泛,三维数值模拟是研究复杂地质模型异常响应规律的重要技术手段之一,也是反演的基础.目前瞬变电磁数值模拟的不足主要有两个方面:第一,场源是在地表水平、浅层介质均匀的条件下计算的,限制了应用范围;第二,地下边界采用Dirichlet边界条件,导致计算空间很大,耗时较长.针对上述问题,在三维正演时,场源采用有限长细导线模型,在Maxwell有源差分方程中直接加入电流密度进行计算.在地表面加入空气层,避免了复杂的向上延拓计算,也可以对地形影响下的响应规律进行分析.在空气边界和地下边界均采用CPML吸收边界条件,并改进了CPML的参数分布,能够吸收空气介质和大地介质中的低频电磁波而反射误差极小,在满足计算精度的条件下可以有效减小节点数量.对循环迭代方法进行优化,将计算域、CPML区域和场源的空间循环统一转化为矩阵方式,加快了计算速度,但是空间消耗增大了约4~5倍.采用三维有限差分正演算法对均匀半空间模型、层状模型和地形模型进行了计算,并与解析解进行了对比验证.     

基于混合边界条件的有限单元法GPR正演模拟

从Maxwell方程组出发,推导了探地雷达(GPR)有限元波动方程.阐述了透射边界条件和Sarma边界条件的原理,推导了这两种边界条件的理论公式;通过在衰减层内加入过渡带优化了Sarma边界条件的加载方法,压制了介质区和衰减层交界面处的人为反射.考虑到透射边界条件与Sarma边界条件不同的理论机制,提出了一种结合透射边界条件和Sarma边界条件的混合边界条件,它利用Sarma边界条件对到达边界区域的GPR波能量衰减功能和透射边界对GPR波能量的透射功能,使GPR波经过Sarma边界条件的衰减吸收后,再通过透射边界条件将剩余能量透射出去,集成了二者的优势.并以二维均匀模型中的中心脉冲激励源方式为例,通过Matlab程序实现,以GPR的全波场快照的直观方式,对比了有、无边界条件及不同边界条件对人工截断边界的处理效果,说明了该混合边界条件对到达截断边界处的GPR波的处理优于单一边界条件.最后,以基于混合边界条件的有限单元法对两个典型的GPR地电模型进行了正演模拟,指导了GPR数据处理与工程实践.     

Time‐harmonic response of non‐homogeneous elastic unbounded domains using the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method is extended to simulate time‐harmonic responses of non‐homogeneous unbounded domains with the elasticity modulus and mass density varying as power functions of spatial coordinates. The unbounded domains and the elasticity matrices are transformed to the scaled boundary coordinates. The scaled boundary finite‐element equation in displacement amplitudes are derived directly from the governing equations of elastodynamics. To enforce the radiation condition at infinity, an asymptotic expansion of the dynamic‐stiffness matrix for high frequency is developed. The dynamic‐stiffness matrix at lower frequency is obtained by numerical integration of ordinary differential equations. Only the boundary is discretized yielding a reduction of the spatial dimension by one. No fundamental solution is required. Material anisotropy is modelled without additional efforts. Examples of two‐ and three‐dimensional non‐homogeneous isotropic and transversely isotropic unbounded domains are presented. The results demonstrate the accuracy and simplicity of the scaled boundary finite‐element method. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维三分量CSAMT法有限元正演模拟研究初探

首先从麦克斯韦方程出发,用伽里金方法推导了三维三分量CSAMT法的有限元方程.在研究过程中,认识到加入散度条件的必要性,在公式中强加了散度条件,提高了解的完备性.其次将成功应用于二维线源频率域电磁法有限元模拟中的两种技术推广到三维中,一是边界条件统一采用一阶吸收边界,使线源产生的电磁波在边界上按波的传播规律被吸收,以降低平面波假设造成的影响;二是总体系数矩阵的存储,用两个二维数组分别记录总体系数矩阵的非零元素及其在总体结点编号中所处的位置,使总体系数矩阵的存储量达到最小的同时,物理意义明确,迭代求解时迅速简便.最后用均匀半空间模型进行了验证.     

弱形式时域完美匹配层

应用高精度人工边界条件可有效提升近场波动数值模拟计算效率.完美匹配层是吸收层形式高精度人工边界条件,匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,亦曾将无限域界面条件当作匹配层界面条件.场方程和界面条件构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发数值失稳、计算精度低下等问题.本文提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法.弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,进而规避了变换后所得场方程与界面条件之间的匹配不合理问题.新方法可直接建立弱形式匹配层,在此基础上亦可给出强形式匹配层.弱形式便于有限元离散,强形式便于有限差分离散.基于弱形式完美匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案.利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性.本文工作可直接推广至多相耦合介质近场波动数值模拟.     

Transient analysis of wave propagation in non‐homogeneous elastic unbounded domains by using the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method has been developed for the dynamic analysis of unbounded domains. In this method only the boundary is discretized resulting in a reduction of the spatial dimension by one. Like the finite‐element method no fundamental solution is required. This paper extends the scaled boundary finite‐element method to simulate the transient response of non‐homogeneous unbounded domains with the elasticity modulus and mass density varying as power functions of spatial coordinates. To reduce the number of degrees of freedom and the computational cost, the technique of reduced set of base functions is applied. The scaled boundary finite‐element equation for an unbounded domain is reformulated in generalized coordinates. The resulting acceleration unit‐impulse response matrix is obtained and assembled with the equation of motion of standard finite elements. Numerical examples of non‐homogeneous isotropic and transversely isotropic unbounded domains demonstrate the accuracy of the scaled boundary finite‐element method. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Dynamic interaction numerical models in the time domain based on the high performance scaled boundary finite element method

Consideration of structure-foundation-soil dynamic interaction is a basic requirement in the evaluation of the seismic safety of nuclear power facilities. An efficient and accurate dynamic interaction numerical model in the time domain has become an important topic of current research. In this study, the scaled boundary finite element method （SBFEM） is improved for use as an effective numerical approach with good application prospects. This method has several advantages, including dimensionality reduction, accuracy of the radial analytical solution, and unlike other boundary element methods, it does not require a fundamental solution. This study focuses on establishing a high performance scaled boundary finite element interaction analysis model in the time domain based on the acceleration unit-impulse response matrix, in which several new solution techniques, such as a dimensionless method to solve the interaction force, are applied to improve the numerical stability of the actual soil parameters and reduce the amount of calculation. Finally, the feasibility of the time domain methods are illustrated by the response of the nuclear power structure and the accuracy of the algorithms are dynamically verified by comparison with the refinement of a large-scale viscoelastic soil model.     

Implementation of a second‐order paraxial boundary condition for a water‐saturated layered half‐space in plane strain

A half‐space finite element and a transmitting boundary are developed for a water‐saturated layered half‐space using a paraxial boundary condition. The exact dynamic stiffness of a half‐space in plane strain is derived and a second‐order paraxial approximation of the stiffness is obtained. A half‐space finite element and a transmitting boundary are then formulated. The development is verified by comparison of the dynamic stiffness of impermeable and permeable rigid strip foundations with other published results. The advantage of using the paraxial boundary condition in comparison with the rigid boundary condition is examined. It is shown that the paraxial boundary condition offers significant gain and the resulting half‐space finite element and transmitting boundary can represent the effects of a water‐saturated layered half‐space with good accuracy and efficiency. In addition, the numerical method described herein maintains the strengths and advantages of the finite element method and can be easily applied to demanding problems of soil–structure interaction in a water‐saturated layered half‐space. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

各向异性弹性波场的有限元数值模拟

研究了各向异性弹性波有限元正演系统的精度和效率问题，提出了一种透射加衰减的组合人工边界方案（吸收边办条件），它对各向异性波具有较好的吸收效果，并且有较好的稳定性能，均匀TI介质中的模拟获得了非常清晰的波场快照，其波场特征与理论分析能够准确吻合，各向异性介质模型的地表地震记录表明，各向异性波炮集记录在波的类型、同相轴形态、能量分布和相位等方面与各向同性波都有很大差别。