波动的有限元模拟——基本问题和基本研究方法

本文以紧凑形式给出了可以直接用于波动有限元计算的透射人工边界公式。为了阐明离散化误差和由人工边界引起的振荡失稳的基本概念,作者利用简单的一维模型详细分析了波动有限元模拟中遇到的这两个主要问题。基于在离散和连续模型中波动规律差别的分析,首先研究了离散化误差。这一研究导致对可能实现波动有限元模拟的频段的识别,以及采用一种兼备有限差和有限元优点的集中质量离散模型的建议。根据波在人工边界的放大效应和在有限离散模型中多次反射的概念在频域内阐明了这一常见的振荡失稳的机制。在此基础上提出了在保证数值计算精度的条件下通过对人工边界附近节点运动的修正来消除振荡失稳的措施。本文还以一维模型为例给出了人工边界条件的稳定性准则。     

波动数值模拟稳定性的若干问题

<正>为发展波动反演技术,需研究稳定、高效、高精度并在整个反演区具有一致精度的波动正演数值方法。本文在已有研究基础上,进一步研究波动数值模拟中高阶人工边界引发失稳的机理和稳定实现的措施。(1)从局域角度阐明人工边界引发的高频振荡失稳机理,边界和内域方程两者支持群速度指向内域的高频平面谐波。本文首先针对SH波动集中质量有限元模拟,揭示了失稳的高     

透射边界高频耦合失稳机理及稳定实现——SH波动

就大型近场波动的高效数值模拟而言,稳定实现高阶人工边界是一个尚未圆满解决的问题.本文针对使用多次透射公式的SH波动集中质量有限元模拟,依据GKS定理的群速度解释,进一步阐明了人工边界与内域离散格式耦合所导致高频失稳的机理,即两者支持群速度指向内域的外行高频平面谐波,波动能量自发地从人工边界进入內域,从而导致失稳,而这类谐波是由集中质量有限元离散引入的.本文提出了消除此种耦合失稳的一种方法:通过修改有限元刚度阵来改变内域离散格式,并保证修改格式的精度不低于原有格式的精度.理论分析和数值实验表明此法能稳定实现透射边界.本文研究结果具有推广应用前景.     

透射边界高频失稳机理及稳定实现——P-SV波动

波动数值模拟的稳定性是获得可靠结果的前提.透射边界是一类具有高阶、高效等特点的人工边界,其引发的高频失稳是由内域格式和透射边界的不当耦合所致.本文针对P-SV波动有限元模拟中透射边界引发的失稳问题,基于GKS定理的群速度解释,通过对有限元和透射边界的频散分析揭示了数值失稳机理为透射边界和相邻内域格式支持了群速度指向内域的高频P波或SV波,波动能量将从边界进入内域引发数值失稳.同时,对比连续模型频散指出引发失稳的谐波是由有限元离散引入.本文采用修改的数值积分方法调整有限元刚度,以消除有限元中引发边界失稳的高频波动成分,从而稳定实现透射边界.理论分析和数值实验均表明本文稳定措施的有效性.     

消除多次透射公式高频振荡失稳的一种措施

多次透射公式（MTF）物理概念简单,便于在计算机上实现时空解藕的高精度波动数值模拟。然而,MTF与其它局部人工边界条件类似,存在数值模拟失稳问题,如高频振荡便是可能出现的失稳现象。本文在分析MTF高频振荡失稳机理的基础上,提出了在波动有限元数值模拟中消除MTF高频振荡失稳的一种措施,即在整个有限元数值模拟区内施加与应变速率成正比的较小粘性阻尼;同时,讨论了这一稳定措施的有效性及其对数值计算精度的影响,并通过数值试验检验了这一稳定措施的可行性。结果表明,消除高频振荡失稳的措施行之有效,且只对波动有限元数值模拟中无意义的高频分量具有抑制作用,而对有意义的较低频段内的波动有限元数值模拟精度影响较小。     

波动数值模拟中透射边界的稳定实现

从波动能量在计算区内累积增大的观点出发,通过简单的一维弹性波模型,系统地阐明了在近场波动数值模拟中透射边界两类数值失稳--"高频振荡"和"零频飘移"的机理:前者源于对波动数值模拟无意义的高频波动在人工边界上的放大和波在有限计算区内多次反射产生的反复放大;后者则源于透射边界允许零频和接近零频的分量不断进入计算区. 由此提出了稳定实现透射边界的完整方案包括两项简单措施:第一,在全部计算区内按文中建议的方法注入小阻尼,以消除高频振荡;第二, 给出一种具有明确物理意义的消除零频飘移的算子算法. 最后,提供了三维波源问题和散射问题的详细数值试验结果.     

散射问题中消除多次透射边界高频振荡失稳措施比较分析

多次透射边界是一种应用广泛的人工边界,类似于其它局部人工边界,它也存在计算稳定性问题。本文分析多次透射边界高频振荡失稳的原因,通过数值试验对已有的消除高频失稳措施进行比较分析,并给出在散射问题中已有消除高频失稳措施的适用性。研究表明,对于完全弹性问题,建议用滤波方法消除高频振荡失稳,但滤波系数的取值需要依据一定的经验;对于黏弹性问题,建议适当控制阻尼取值,利用差分格式本身的高能耗特性来抑制高频振荡失稳,该方法不存在参数选取的问题,更便于应用实施。     

散射问题中消除多次透射边界高频振荡失稳措施比较分析

多次透射边界是一种应用广泛的人工边界,类似于其它局部人工边界,它也存在计算稳定性问题。本文分析多次透射边界高频振荡失稳的原因,通过数值试验对已有的消除高频失稳措施进行比较分析,并给出在散射问题中已有消除高频失稳措施的适用性。研究表明,对于完全弹性问题,建议用滤波方法消除高频振荡失稳,但滤波系数的取值需要依据一定的经验;对于黏弹性问题,建议适当控制阻尼取值,利用差分格式本身的高能耗特性来抑制高频振荡失稳,该方法不存在参数选取的问题,更便于应用实施。     

一种基于多项式外推的局部透射边界位移解(外行波为非平面波情形)

一般情况下,通过人工边界向外透射的波动常为非平面波。对于近场非平面波在人工边界上的透射问题,不能采用简单的平面波透射方法。本文针对近场非平面波在人工边界上的透射特点,分析了非平面波沿人工边界法向视波速的变化规律及其近场失稳机制,推导了适合近场非平面波的、人工边界点位移解的不等步距线性外推公式。     

一种改善多次透射边界稳定性的措施

本提出在边界区设置粘性阻尼的方法，在保持多次透射边界精度的同时可以消除波动数值模拟中的高频振荡失稳现象，中就出平面波动情形分析了采取和未采取这一措施时多次透射边界的稳定性和精度，给出相应的稳定性条件，所得结果表明了这一方法的有效性，中的算例验证了分析结果。     

A note for the mechanism of high-frequency oscillation instability resulted from absorbing boundary conditions

In this paper the explanation of the mechanism of high-frequency oscillation instability resulted from absorbing boundary conditions is further improved. And we analytically prove the proposition that for one dimensional discrete model of elastic wave motion, the module of reflection factor will be greater than 1 in high frequency band when artificial wave velocity is greater than 1.5 times the ratio of discrete space step to discrete time step. Based on the proof, the frequency band in which instability occurs is discussed in detail, showing such high-frequency waves are meaningless for the numerical simulation of wave motion.     

多次透射公式的一种高频失稳机制

本文利用一维双曲型偏微分方程组初边值问题数值稳定性的GKS定理的物理解释和推广，分析了多次透射公式在数值实现中可能出现的一种高频失稳机制，即在多维离散网格，沿某一空间方向的外行简谐波，由于与其他空间方向节点运动的耦合效应可以使能量传播方向反向。文中通过数值试验对这一失稳机制作了初步验证。     

Analysis of high-frequency local coupling instability induced by multi-transmitting formula—P-SV wave simulation in a 2D waveguide

Local coupling instability will occur when the numerical scheme of absorbing boundary condition and that of the field wave equation allow energies to spontaneously enter into the computational domain. That is, the two schemes support common wave solutions with group velocity pointed into the computation domain. The key to eliminate local coupling instability is to avoid such wave solutions. For lumped-mass finite element simulation of P-SV wave motion in a 2D waveguide, an approach for stable implementation of high order multi-transmitting formula is provided. With a uniform rectangular mesh, it is proven and validated that high-frequency local coupling instability can be eliminated by setting the ratio of the element size equal to or greater than \(\sqrt 2 \) times the ratio of the P wave velocity to the S wave velocity. These results can be valuable for dealing instability problems induced by other absorbing boundary conditions.     

Significance of ground motion time step in one dimensional site response analysis

The discrete nature of the numerical methods utilized in 1D site response analysis and calculation of the response spectra (e.g., frequency domain, Duhamel integral, and Newmark β methods) introduces time-step dependence in the resulting solution. Using an input ground motion with too large of a time-step leads to under-prediction of high-frequency characteristics of the system response due to limitations in the numerical solution of single and multiple degree of freedom systems. In order to reduce potential errors, using a sampling rate at least ten times greater than the maximum considered frequency is recommended. The preferred alternative is selection of input ground motions with a sufficiently small time step to avoid introducing numerical errors. However, where such motions are not available, then the time step of the ground motion can be reduced through interpolation. This paper demonstrates that the use of Fourier transform zero-padded interpolation is the preferred approach to obtain a ground motion with an adequate time step for the calculation of the elastic acceleration response spectra, and to analyze site response using either frequency or time domain methods.     

An alternative single-step algorithm for dynamic problems

In this paper we consider a one-step form of the weighted residual method for solving equations of motion for discrete structural problems. The resulting time integration algorithm is equivalent to the Newmark method for a restricted but important range of the parameters. The weighted residual treatment of the forcing function permits use of time increments based solely on the expected periods of the structural response, instead of the usual additional restrictions based on the periods of the forcing function. A numerical example is included to illustrate the behaviour of the algorithm for a forced ground motion with both low- and high-frequency components.     

多次透射公式实用形式稳定性分析

本文以二维出平面波动方程为例,利用数值方法研究了多次透射公式的实用形式的稳定问题,结果表明：多次透射公式的实用形式与波动方程的集中质量显式有限元结合,不但存在零频漂移,而且同样存在高频振荡失稳,而与中心差分方法结合仅存在零频漂移失稳。     

有限元离散模型中的出平面运动形式

波动在有限元离散模型中传播时,会出现许多不同于连续介质中波动的现象.本文引用经典物理学中晶格动力学的分析方法,由有限元离散形式的出平面波动方程得到频散关系,在此基础上,讨论了集中质量有限元模型中各种可能的出平面运动形式,并分析了考虑时域离散化影响下各种形式可能存在的频率范围.     

多次透射公式的一种稳定实现措施

基于对双曲偏微分议程数值解稳定性的GKS（Gustafsson,Kreiss and Sundstrom）准则的物理解释，本文提出了在波动模拟中多次透射公式飘移失稳的一个简单措施，并用波源问题和散射问题的数值试验检验了建议的稳定措施的有效性。