三角网格谱元法地震波场数值模拟

谱元法结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度,是近年来发展的一种重要的地震波场数值模拟方法.经典的谱元法采用四边形(六面体)网格,利用一维Gauss-Legendre-Lobatto(GLL)积分的张量积得到对角的质量矩阵,以大大提高计算效率,但是四边形(六面体)网格不能够灵活地刻画复杂的几何模型的弯曲界面.为此,在谱元法中引入三角形(四面体)网格到二维(三维)是十分必要的.不同于经典的谱元法,在非结构化网格中不能使用GLL积分的张量积,使得非结构化网格的谱元法的实现存在着诸多的困难.目前,比较流行的三角网格谱元法,通过使用KoornwinderDubiner(KD)正交多项式,并正交化这些KD多项式构建基函数,同时利用重合的插值节点和积分节点以获取对角的质量矩阵;它所使用的积分点为优化的点集——Fekete点,且这些积分点能与四边形网格完全耦合.相比于四边形,三角网格谱元法能显著提高复杂模型的描述能力,对起伏地表模型有很大优势.本文引入高效的最佳匹配层(PML)吸收边界条件,并通过数值试验将三角网格谱元法与经典的谱元法进行对比研究.相比于经典的谱元法,三角网格谱元法显著缺点为较低的计算精度.对于7阶谱元,为了能够精确地模拟面波,三角网格谱元法需要在每个最短的面波波长内至少有11个采样点,然而经典的谱元法仅需4个采样点,并且前者所需的内存量约为后者的5.5倍.     

基于自适应网格的仿真型有限差分地震波数值模拟

在复杂山地和复杂海底条件下,地表和海底的剧烈起伏对地震波数值模拟提出了更高的要求.常规有限差分法采用矩形网格对模型进行网格剖分,由于矩形网格自身的限制,起伏地表或起伏海底只能由一系列阶梯状折线代替,从而引起人为虚假绕射波.此外,在模拟液-固界面的反射波时,如果界面与网格线不一致,则需要更密的网格才能得到精确的结果.为了解决上述问题,本文将自适应网格生成技术引入到起伏海底速度模型的网格剖分中,采用高阶仿真型有限差分法(MFD)对曲线坐标下的声波方程波进行了数值模拟.利用自适应网格生成技术对速度模型进行网格剖分不仅可以准确地描述模型边界,而且可以有效消除虚假绕射波.高阶仿真型有限差分法可以有效压制频散提高计算精度.模型试算结果表明,本文方法对复杂海底模型具有很好的适应性.     

大地电磁三维矢量有限元正演误差分析及其优化

利用基于六面体的矢量有限元法进行大地电磁正演模拟时,在电性变化剧烈的区域有可能因为网格剖分的不够细致,导致六面体单元中的场值无法通过十二条棱边的插值准确表达,从而形成误差.另外,由于有限元剖分网格不可能无限延伸,而大地电磁场的边界条件在无穷远处才能得到满足;所以不恰当的网格剖分策略可能造成数值模拟计算结果误差过大.本文研究了不同频率下误差产生的规律及原因,并提出了减小误差的方法.最后根据误差分析对正演过程进行了优化,即保证了计算精度又大大提高了正演速度.     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.     

谱元法波场模拟中的属性建模技术

二维波动方程谱元法通常采用四边形网格,网格质量和属性建模方式对波场模拟精度和效率有较大影响.常规属性建模需要先建立几何模型再对其进行贴体网格剖分.但存在已知稠密属性控制点却难以建立复杂几何模型的问题.针对此问题,提出对模型进行矩形网格剖分并计算GLL点,利用属性控制点对所有GLL点进行插值以提高属性建模的效率.将属性建模方式归纳为单元属性建模方式和节点属性建模方式.在节点属性建模方式中分析了双线性插值、快速Gauss径向基函数插值法的计算效率,将两种插值算法集成于SPECFEM2D的属性建模程序中.实例表明两种属性建模方式对谱元法波场模拟都是有效的.     

基于谱元法的频率域三维海洋可控源电磁正演模拟

高精度、快速有效的正演模拟算法是三维电磁正反演的前提.为了提高海洋电磁三维数值模拟的精度和效率,本文提出利用基于Gauss-Lobatto-Chebyshev（GLC）基函数的谱元法进行海洋可控源三维电磁正演模拟.谱元法结合有限元法和谱方法的优点.我们通过应用伽辽金加权残差法离散二次电场矢量亥姆赫兹方程,在单元内选择混合阶GLC多项式的张量积作为高阶矢量插值基函数,在求解大型稀疏线性方程组时利用直接求解器进行快速求解,从而实现了三维海洋可控源电磁快速高精度正演模拟.一维和三维模型正演结果验证了本文算法的有效性和准确性.典型模型的数值结果表明谱元法是一种有效的三维海洋可控源电磁正演数值方法,能在稀疏网格剖分情况下获得精确的海洋电磁正演模拟响应.     

基于离散粒子理论地震波传播数值模拟网格剖分计算方法

介绍一种基于离散粒子理论地震波传播数值模拟的网格剖分计算方法.根据离散粒子理论,将研究区域划分为由一系列相互作用的粒子组成的正六边形网格,这些粒子在它们的接触点处发生相互作用,并用Hooke定律和Newton定律描述.为解决六边形网格带来的网格交错而难以计算以及波场输出问题,将横向网格进行加密,加密处赋予假想的粒子,输出波场时选取偶数行偶数列点或奇数行奇数列点的波场值.均匀介质和层状介质模型的数值模拟结果表明,该网格剖分计算方法能够将离散粒子理论用于模拟弹性波在非均匀各向同性介质中地震波的传播.     

电导率连续变化2.5维直流电阻率法有限元数值模拟

在阮百尧、徐世浙(1998,2001)工作基础上,给出四边形内三角网格单元剖分,电导率连续变化2.5维直流电阻率数值模拟方法.在二维起伏地形情况下,有限单元设计为四边形内剖分四个三角网格单元,单元内的电位值和电导率设计为线性变化,将研究区域远边界的第三类边界条件简化为第二类齐次边界条件,重新给出一组适用性较好的Fourier反变换系数,并采用分离式Cholesky分解法快速求解线性方程组.通过对3个地电模型的计算与对比分析,其结果与解析法的均方根误差小于0.2%,计算速度比较常规方法提高了5倍,能有效模拟起伏地形和复杂形态的地电体模型.     

三维地电模型数值模拟中视电阻率真假异常特征分析

本文概要介绍了三维数值模拟中双网格系统的剖分方法,并通过几种典型模型的有限单元法三维数值模拟计算（网格单元电导率分块均匀、电位三线性变化）,充分揭示了对称四极电阻率测深法三维地电模型视电阻率真假异常的分布规律,分析了产生真假异常的原因,并研究了真异常的形态与引起真异常的地质体位置的关系。     

起伏地表QR径向基函数有限差分及其在弹性波逆时偏移中的应用

弹性波逆时偏移不受倾角和偏移孔径的限制,能够实现任意复杂构造的高精度多波成像,是目前最精确的多分量资料偏移成像方法之一.逆时偏移算法的核心是波场延拓,传统波场延拓以水平基准面为边界条件,基于固定采样步长进行规则网格剖分,采用阶梯近似法处理起伏地表和复杂构造界面时会产生台阶散射,严重影响起伏地表复杂构造的成像精度.基于无网格节点模型,定量分析了弹性波模拟中径向基函数有限差分法的频散关系和稳定性条件.基于此,提出一种基于QR径向基函数的高精度有限差分方法,并提出一种优化的起伏地表自适应节点剖分方法,推导了精确的无网格自由边界条件和弹性波无网格混合吸收边界条件,形成了新的基于无网格的起伏地表弹性波数值模拟方法.此外,本文将此无网格径向基函数有限差分方法应用于精确的纵横波场矢量分解公式,实现了起伏地表弹性波逆时偏移成像.通过对高斯山丘模型,起伏凹陷模型和起伏地表Marmousi-2模型进行数值试算,验证了本文方法的有效性和可行性.     

A New Technique to Synthesize Seismography with More Flexibility: the Legendre Spectral Element Method with Overlapped Elements

The classic spectral element method (SEM) is important for seismographical simulation. However, waves subjected to irregular interfaces or surfaces are difficult to simulate accurately using SEM with quadrangular/hexahedral elements. In this paper we propose a new technique to solve this problem. The technique reconstructs some new elements near the surface/interface to substitute for any element crossing the interface, thus making the boundary of some new elements an accurate fit to the interface/surface. Numerical comparisons with the classic SEM show that the technique has improved flexibility when dealing with interface problems without losing accuracy and efficiency. The technique also enables us to vary the size and shape of an element smoothly as the velocity in a medium varies so that this removes the inaccuracy resulting from the high local variation of the grid in the classic SEM. Therefore, the technique widens the application of the classic SEM in seismographic simulation.     

基于紧凑存储的任意四边形网格有限元法地震波场数值模拟

采用有限元法精确模拟复杂介质条件下的地震波场,一般采用三角单元,但在节点数相同的情况下,三角单元的计算精度不如矩形单元高,采用三角单元模拟复杂界面时,编制确定结构刚度矩阵非零元素位置的程序也较为麻烦。采用矩形单元离散含有倾斜或起伏界面的地质模型时,无法避免绕射噪声,若加密网格又会增加计算量。为此,本文基于任意四边形单元模拟声波的传播,在倾斜或起伏界面条件下,可以有效避免因离散引起的“阶梯状”界面,在不增加计算量以及内存占用的前提下,有效地消除离散绕射噪声。采用对角的集中质量矩阵代替一致质量矩阵,避免矩阵的求逆运算,从而提高显式有限元法的计算效率;对结构刚度矩阵采用紧凑存储格式,每一行需要存储的元素最多为5个,同时零元素不参与运算,既减少内存的占用,又极大地提高计算效率。      

不同网格间距的小剪跨比网格剪力墙抗震性能研究

为研究网格间距对网格剪力墙抗震性能的影响,对两个竖肢中心距不同的小剪跨比网格剪力墙进行了拟静力试验及有限元分析。结果表明：横肢中心距相同、竖肢中心距分别为200 mm及300 mm的网格剪力墙破坏模式不同,竖肢中心距为200 mm的网格剪力墙下部和墙底角部混凝土破坏,破坏模式为剪压破坏;竖肢中心距为300 mm的网格剪力墙沿对角线主斜裂缝错动并产生滑移,破坏模式为剪拉破坏。两个试件的极限位移角均在1/100左右,竖肢中心距为300 mm的网格剪力墙刚度和承载力略大。有限元模拟结果与试验吻合良好,验证了模拟方法的有效性。提出了适用于不同间距网格墙的等效厚度计算方法,网格剪力墙可等效为实体剪力墙计算刚度和承载力。     

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.     

Seismic wavefield modelling in two-phase media including undulating topography with the modified Biot/squirt model by a curvilinear-grid finite difference method

In this paper, we deduced the corresponding first-order velocity–stress equation for curvilinear coordinates from the first-order velocity–stress equation based on the modified Biot/squirt model for a two-dimensional two-phase medium. The equations are then numerically solved by an optimized high-order non-staggered finite difference scheme, that is, the dispersion relation preserving/optimization MacCormack scheme. To implement undulating free-surface topography, we derive an analytical relationship between the derivatives of the particle velocity components and use the compact finite-difference scheme plus a traction-image method. In the undulating free surface and the undulating subsurface interface of two-phase medium, the complex reflected wave and transmitted wave can be clearly recognized in the numerical simulation results. The simulation results show that the curvilinear-grid finite-difference method, which uses a body-conforming grid to describe the undulating surface, can accurately reduce the numerical scattering effect of seismic wave propagation caused by the use of ladder-shaped grid to fit the surfaces when undulating topography is present in a two-phase isotropic medium.     

Application of the iterative solution method with Schur complement reduction to mixed finite elements based in a tetrahedral discretization

The iterative solution method for mixed finite element methods is applied to a 3-D domain partitioned with tetrahedral elements. For the particular discretization technique of first partitioning the domain with hexahedral cells, and then subsequently partitioning cells with five tetrahedral elements, a Schur complement decomposition is devised wherein the actual number of equations solved is reduced by 80%. Although this Schur complement reduction requires a fair amount of computational overhead, its application within the iterative solution method can reduce overall solution time by about 44%, depending on closure criterion and other factors.     

基于二次场电导率分块连续变化的三维可控源电磁有限元数值模拟

从电偶源三维地电断面可控源电磁法的二次电场边值问题及其变分问题出发,采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,并且在单元分析中同时对电导率及二次电场进行三线性插值,实现电导率分块连续变化情况下,基于二次场的可控源电磁三维有限元数值模拟.这个新的可控源电磁三维正演方法可以模拟实际勘探中地下任意形状及电性参数连续变化的复杂模型.理论模型的计算结果表明,均匀大地计算的视电阻率误差和相位误差分别为0.002%和0.0005°.分层连续变化模型的有限元计算结果表明,其与对应的分层均匀模型解析结果有明显差异.三维异常体组合模型以及倾斜异常体等复杂模型的有限元计算结果也有效地反映了异常形态.     

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.     

Dynamic slope stability analyses with a non-linear finite element method

A new technique is presented with which to investigate slope stability during strong earthquake motion. This technique is based on a non-linear finite element method that uses a joint element to express non-linear behaviour and the progressive failure of a slope. Joint elements are arranged at every interface between soil elements. Accordingly, each soil element is allowed to move in directions parallel, perpendicular and rotational to neighbouring elements; consequently, they express the sliding and separation at any interface between the soil elements. The method was used to investigate the stability of an existing slope during strong earthquake motions. Preliminary static analyses were made, and their results were compared with results obtained with Janbu's method in order to check the validity of our proposed method. The dynamic analyses also took into account the material non-linearity of the soil. The process of progressive failure was examined for a slope whose material constants are known. The influence of input excitations on slope stability is discussed in detail. The method also has been used to assess the effectiveness of a countermeasure used to prevent slope failure.     

用于弹性波模拟的交错网格预处理和多次校正的Chebyshev谱元法

本文基于弹性波动方程,从其弱形式出发,利用Galerkin变分原理,通过对方程进行空间和时间上的离散,在空间域中引入预条件共轭梯度的逐元算法,在时间域中引入时间积分的交错网格预处理/多次校正算法,发展了弹性波模拟的Chebyshev谱元算法。针对均匀固体介质和具有倾斜分层的分区均匀固体介质模型,通过与有限差分算法结果相比较验证其精度的可信性,同时利用该算法模拟了弹性波在具有水平分层的任意起伏自由表面模型中的传播,并分析了其传播特点。研究表明,我们提出的交错网格预处理/多次校正算法的Chebyshev谱元算法,保留了有限元法的优势,并且采用了具有最优张量乘积技术的元到元的算法,能够处理带有起伏自由表面的复杂介质模型,它具有比有限元法收敛快,计算效率较高等优点,特别适合于复杂结构和复杂介质中的弹性波传播的数值模拟。