虚拟川滇——基于千万网格并行有限元计算的区域强震演化过程数值模型设计和构建

利用合理的数值模型,对区域性的强震活动性分析,是近些年来地震学研究领域的一个热点问题.但无论从时间还是空间角度来讲,区域性强震演化的理论与数值模拟模型都是多尺度问题,对该问题的充分研究需要借助于大规模并行数值模拟技术.侧重于基于千万有限元网格技术,采用大规模并行有限元计算手段,对该问题的理论建模与并行数值算法实现,以及如何应用到对川滇地区区域强震演化过程的模拟进行了具体论述.本研究的关键目标是为中长期地震危险性估计提供一个大规模数值预报模拟平台系统.     

构造应力场模拟-有限元理论、方法和研究进展

采用有限元数值模拟方法对构造地质问题进行描述和定量化求解是当前地质学领域的研究的一个热点,该方法近10年以来取得了重要进展,形成了比较完整的理论和技术体系,并在一些典型的地质构造带获得了重要的研究成果,已成为当前定量研究构造应力场的主要方法.文中以有限元数值模拟方法理论作为出发点,总结分析了国内外有限元数值模拟方法在构...     

"地震数值模拟的数据库应用平台"项目成果介绍

利用计算机模拟复杂的系统和过程,是当今世界科技发展的新潮流,在地学领域,数值模拟已经渗透到地学研究的各个重大领域。本项目提出建立一个用于地震模拟和预报的数据库应用平台,以地壳动力学研究和强震机理研究为应用核心,将地震地质研究、地形变研究、地应力研究、地球内部结构研究等多种相关的学科手段的观测资料、实验结果和理论分析有机地结合起来,实现技术和数据资源的共享。利用这些信息构建比较合理的地球模型和尽可能多的约束条件,并在有限元分析系统上进行地壳形变和地震过程的数值模拟。     

构造应力场模拟——有限元理论、方法和研究进展

采用有限元数值模拟方法对构造地质问题进行描述和定量化求解是当前地质学领域的研究的一个热点,在近10年以来取得了重要进展,形成了比较完整的理论和技术体系,并在一些典型的地质构造带获得了重要的研究成果。本文以有限元数值模拟方法理论作为出发点,总结分析了国内外有限元数值模拟方法在构造应力场领域的研究进展情况和技术方法,并讨论了其目前存在的问题和未来发展方向。     

川滇地区强震活动之间的加卸载机制

本文建立了比较精细的川滇地区三维有限元模型,数值模拟了川滇地区主要活动断裂的强震活动对于其他活动断裂潜在强震孕育进程的加卸载效应.     

地震应力触发数值模拟的初步研究

本文基于有限元方法，初步建立了西南地区二维和三维数值模拟有限元模型，并针对川滇地区，重点建立了包括上地壳、下地壳、上地幔等的三维有限元模型。最后，讨论了地震产生的应力变化对整个西南地区的应力调整情况。结果表明：前一地震对后续地震有一定的触发作用。因此，强震活动有限元模型的建立对判定未来强震危险区有一定的作用。     

南北地震带区域形变异常特征与地震关系研究

利用南北地震带及附近地区20世纪70年代以来的区域水准网和90年代以来的GPS监测网资料, 结合地质构造和监测区发生的多次6级左右及以上震例, 分析了震前区域性形变场异常的基本特征。 进而根据资料支持程度, 分别以GPS、 区域水准观测位移为地表约束, 以“973”项目活动地块划分结果为地质依据, 进行非震负位错模型反演计算, 研究了数值模拟结果反映的活动块体和边界断裂构造变形状态与地震的关系。 在此基础上, 定性与定量相结合分析研究了强震前区域性水平、 垂直构造形变异常特征及可能的机理, 初步总结了基于区域水准、 GPS观测与数值模拟的强震前区域构造形变异常的一些判据。     

基于预插黏性界面单元的拱坝地震破坏过程分析

为确定预插黏性界面单元法模拟高拱坝在强震作用下破坏过程的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(Cohesive Interface Elements),对小湾拱坝的强震破坏过程进行了数值模拟和分析,模拟结果与损伤模型和振动台试验的结果接近。研究结果表明,地震荷载作用下抗震设防的薄弱部位在拱冠梁顶部范围,预插粘性界面单元法可以有效模拟强震作用下坝体裂缝的断裂和扩展过程。     

CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

有限元法2.5维CSAMT数值模拟

目前国内大多数CSAMT资料处理都用一维反演方法,即假定地球介质是水平层状地电结构,这对于横向变化较大的介质结构的反演则是不真实的．为了合理的模拟可控信号源的三维特征应该使用三维有限元方法．受计算机内存和计算速度的限制,三维方法的实用化受到约束．在许多情况下,地电结构沿走向变化很小,只沿倾向发生变化．这种地电结构是二维的,而人工源是三维的,因此CSAMT资料的观测可用2．5维有限元方法进行数值模拟．本文从麦克斯韦方程组出发,建立了2．5维有限元CSAMT数值模拟方法,其核心是把地电参数变化小的走向方向转化成波数域,用一系列波数模拟三维源的特征．用一个横向均匀的三层地电结构模型展示了2．5维数值模拟的特征,并和一维模拟结果进行了比较,证实了有限元方法2．5维CSAMT数值模拟的可靠性．在此基础上对一个地电结构已知的实际模型进行了2．5维数值模拟并和该剖面的野外实测剖面数据进行了比较,进一步有效地说明了本文介绍的2．5维CSAMT数值模拟方法是仿真和可靠的,为在此基础上的2．5维反演打下了良好的基础．     

圆柱形支撑大跨度建筑结构强震冲击分析模型仿真

圆柱形支撑大跨度建筑稳定性较差,不能在强震冲击下保持稳定的结构状态。为解决此问题,设计圆柱形支撑大跨度建筑结构强震下冲击分析仿真模型,通过圆柱分析法则的确定、有限元支撑模拟分析与监测、圆柱形支撑体系承载能力分析以完成模型的仿真分析与监测。基于此对大跨度建筑结构强震冲击进行静力分析,调整强震冲击下模型的结构,完成模型的搭建。模拟强震冲击环境,设计对比实验结果表明,应用圆柱形支撑大跨度建筑结构强震下冲击分析仿真模型,可明确圆柱形支撑大跨度建筑薄弱点,发现稳定性较差建筑结构单元,达到提升圆柱形支撑大跨度建筑在强震冲击下稳定性的目的。     

瑞利面波二维物理模型的数值模拟研究

在瞬态多道瑞利面波的理论和模拟研究中,常将三维地质模型简化为二维模型来处理,以此降低分析问题的难度和节约建模成本,然而常规的实验室二维物理模型难以实现.本文基于有限元数值模拟技术对不同模型厚度的数值模型激发的声波波场进行了数值模拟,研究和分析了具有不同菲涅尔带半径R厚度的三维均匀半空间和横向非均匀模型的瑞利面波波场和频散特征,并与对应的二维数值模拟结果进行对比分析.研究表明,在模型厚度小于最小第一菲涅尔带半径R条件下,三维物理模型实验结果与二维数值模拟模型实验结果基本一致.因此,在实际物理模拟实验中,可用厚度小于最小第一菲涅尔带半径R的三维物理模型近似二维模型.本文最后以数值模拟确定的合理模型厚度制作物理模型进行实验,验证了本文提出的问题和解决方案的可行性.     

有限元等数值模拟方法在我国岩石圈构造研究中的应用与发展

本文综述了二十年来数值模拟方法在我国岩石圈构造研究中的应用与发展状况,主要涉及造山带数值模拟、俯冲带数值模拟、盆地数值模拟、上地幔小尺度对流数值模拟等几方面内容．为了研究中国大陆及其相邻地区的岩石圈三维结构．已经取得许多区域性地质调查和地球物理、地球化学等探测资料．同时以这些探测资料为基础,国内外科学家做了许多以该地区岩石圈构造与演化为研究目的数值模拟工作．可以看出,数值模拟是岩石圈构造与演化研究的有力工具．并已经取得了卓著的成就．这些成果为继续进行岩石圈构造的研究奠定了基础．     

基于推覆分析的钢框架结构地震倒塌判别准则研究

结构地震倒塌判别准则是工程结构强震分析的关键问题。在层损伤模型的基础上,建立了基于推覆分析的建筑结构整体损伤模型,并以国内某2层2跨平面钢框架结构拟静力试验为背景,应用有限元程序ABAQUS对平面钢框架进行了强震倒塌数值模拟。分析了钢框架结构的倒塌破坏过程,基于建议地震倒塌判别准则研究了钢框架结构的损伤演化规律。结果表明:钢框架结构在强震作用下的损伤发展顺序与塑性发展顺序一致;基于推覆分析的结构整体损伤模型能较好的体现强震作用下钢框架结构的损伤演化规律,且在上下界处收敛;强震作用下,钢框架结构的初始损伤主要由结构的残余侧移引起,而后期损伤主要由结构的承载力和刚度退化引起。     

强震下混凝土剪力墙受弯模拟及测试实验研究

为提高混凝土剪力墙受弯性能计算的准确度,开展强震下混凝土剪力墙受弯性能试验研究。选取1个混凝土剪力墙对比试件和3个测试试件作为研究对象,对试件施加垂直荷载和水平荷载,模拟强烈地震作用力。试验前期准备工作完成后,建立分离式有限元模型,通过计算混凝土在受压和受拉状态下的损伤弹塑性刚度,完成对有限元模型中混凝土塑性损伤分析,在此基础上,计算混凝土剪力墙受弯承载力。利用有限元模型对3个测试试件进行模拟试验,结果表明,强烈地震后3个试件的荷载-位移曲线均与实际位移值接近,且混凝土剪力墙受弯承载力试验结果与实际值的误差在2%以内,表明试验研究方法具有一定的可行性,数值模拟结果较为准确。     

地震正演数值模拟仿真计算的并行优化设计方法

目前使用有限差分对波动方程进行数值模拟是比较流行的方法,在理论研究和工作生产中已经广泛被使用.本文给出了一种组合使用多种并行优化设计方法对算法核心进行深入优化的方法,它充分挖掘算法的并行性及程序各阶段运行的智能监控,通过采用减少同步、边界重划、线程和处理器绑定、零复制,空间局部性、时间局部性及Pthreads多线程编程模型等一系列并行优化设计方法,实现二维波动方程正演模拟的优化,从而大幅提升程序的性能,使正演数值模拟达到实时仿真的效果.通过对有限差分数值模拟的并行调优前后试验数据比较,验证了该一系列深入并行优化方法能够较好地提高有限差分二维正演模拟的计算效率.     

双相各向异性介质中弹性波传播有限元方程及数值模拟

基于Biot双相各向异性介质理论和动态问题的哈密顿原理，推导出任意双相各向异性介质中弹性波传播的有限元方程，并给出双相各向异性介质中弹性波有限元方程的数值解法．最后进行有限元法的数值模拟，对双相各向异性介质中弹性波传播特征进行了模拟与分析．       

基岩地震动的随机模型及其参数确定

地震工程界对随机地震动已进行了40多年的研究，提出了多种较好的随机过程模型，其中最具代表性的是日本学者金井清(Kanai)(1961)提出的过滤白噪声模型．进一步，欧进萍等(1991)在评述既往随机模型基础上，提出了地震地面运动的过滤有色噪声模型．然而，这些模型都存在一个最大的问题，就是不能合理确定模型中反映地震强度的参数————谱强度因子S0. 随机地震动研究的基础是强震记录，基于地面强震记录，人们对地震地面运动随机模型进行了大量的研究，其中对基岩地震动的模拟还有很多需要解决的问题．本文在基岩强震记录统计基础上，研究基岩地震动的随机模型和模型参数，为建立工程抗震的合理地震动模型奠定基础．      

基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟研究

大地电磁测深二维反演是现有MT数据处理解释的主流,而反演的速度依赖于正演的计算精度和速度.本文在简要介绍CUDA并行计算模型的基础上,对MT二维有限单元数值模拟进行了分析,采用基于CUDA并行技术和有限元数值模拟技术,实现了基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟方法.通过一个三层模型的CDUA并行算法计算结果与解析解对比,及3个复杂模型的CDUA并行算法与CPU串行算法计算结果对比分析,结果表明,这种新的数值模拟方法在保证计算精度的同时能显著提高计算速度,加速比可达20多倍.     

汾渭地堑岩石圈的应力场数值模拟与分析

汾渭地堑系位于秦岭造山带以北,鄂尔多斯地块以东,是我国东部重要的一个强震活动带,构造活动十分密集.目前关于汾渭地堑的研究主要集中于其成因机制与构造演化历史、活动构造分布及地震统计、有限元数值模拟等方面.其中地震地质相关的研究主要覆盖了沉积层和地表断层层面,地球物理研究则主要关注地球的深部结构问题,整体而言较少涉及到浅部...