地震波动数值模拟及稳定性研究

本文针对显式有限元-有限差分法进行了系统的研究,包括理论分析、算法改进以及实际应用.通过理论推导定量地研究了采用这种数值模拟方法对波动传播规律的影响,以及其在结合局部透射人工边界进行计算时的稳定条件.就采用该方法结合局部透射人工边界求解波源问题和散射问题的情况分别提出了改进计算的措施,并通过数值试验验证其有效性.     

土-结构动力相互作用人工边界分析及试验验证

利用有限元软件Ansys二次开发语言apdl进行二次开发,将多次透射边界(MTF边界)和弹阻边界(V-S边界)添加到软件中,从而实现对土-结构动力相互作用问题中无限域场地的模拟。以野外大比例(1/2)土-箱基-框架结构试验模型的牵引释放自由振动试验(波源问题)和爆破震动试验(散射问题)数据为基础,通过有限元数值计算结果和试验结果的对比可知,施加了人工边界的土体模型可以较好地模拟波在无限域土体中的传播,有效地减少有限元计算模拟时的计算规模。同时多次透射边界在计算精度以及散射问题中地震波输入的便捷性方面要优于弹阻边界。     

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.     

局部平面波假定与优化傍轴透射边界

本文研究了透射边界及相关问题,指出在近源波动的一般情况下,沿人工边界法向传播的外行波动应为曲面波,但在人工边界点的足够小的时空邻域内,可以将曲平面波近似处理为平面波,亦即采用了局部平面波假定。认为对不同的人工边界点,局部平面波模型中的基本变量是时空变量,是影响透射边界近源精度和稳定性的决定性因素。建立了对物理视波速进行优化求解的数学模型,以及相应的1阶和2阶优化透射边界。     

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。     

多人工波速优化透射边界在谱元法地震波动模拟中的应用

将作者最近发展的多人工波速优化透射边界(记为ca j-MTF)应用于高精度谱元法的地震波动模拟中,并与经典的廖氏透射(MTF)边界、完美匹配层(PML)边界、黏弹性边界以及一阶旁轴近似边界进行了比较分析.结果显示:①ca j-MTF边界与MTF边界在形式上非常接近,它继承了后者公式简单、易于实现、精度可控、计算量低以及...     

近场波动数值模拟稳定性问题分析

本文利用分析一维双曲型偏微分方程初边值问题数值稳定性的GKS定理的物理解释的推广，以出平面波动为例，分析了集中质量显式有限元方法及中心有限差分方法分别与多次透射公式简单结合构成的封闭数值求解系统的稳定性，并用数值试验进行了验证。旨在从概念上说明讨论人工边界稳定性时，必须与计算区域内的具体算法结合分析才有意义，单纯地说人工边界在数值计算中稳定或不稳定是不正确的。     

较复杂介质波场计算中的一种透射边界

传统的人工边界是在声波或弹性波分解为内行和外行分量的基础上设计的.对于较复杂的介质模型（如粘弹介质、弹塑介质、塑性介质模型等）,地震波不能简单地分解为各自满足其运动方程的纵波、横波等成分,且地震波在传播过程中还有衰减现象,因此传统的人工边界已不能有效地用于非弹性的较复杂介质的波场模拟.本文提出了一种适合于更一般的地震模型的波场计算的透射边界条件,并以粘弹介质的一个较简单的二维几何模型为例,通过有限元数值求解这种透射边界和刚性边界下粘弹波的激发和传播,得到地面合成地震记录,证明了这种透射边界用于较复杂介质波场计算是可行的.     

三维椭球形盆地对球面波的散射

针对三维沉积盆地对球面波的散射问题,发展一种快速宽频间接边界元方法(IBEM).利用ANSYS建立求解模型,基于Intel-Fortran编译器编译相应的计算程序,对基岩半空间三维半椭球形盆地对球面波的散射进行了数值分析,着重探讨入射波频率、波源埋深、波源与不规则地形(沉积盆地)距离等参数对地震动特性的影响规律,计算方...     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上,将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中,探讨了PML应用的可行性,并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率,比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异,对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明, 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性,但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果,在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显;PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中,未见失稳等不良反应,比MTF人工边界有更好的稳定性;在合理选择参数的情况下,PML人工边界的运算量可接受.      

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。     

场地地震波动模拟中透射边界稳定性问题研究

本文对场地地震波动模拟中透射边界的稳定性问题进行了一系列研究。对已有的透射边界稳定措施做了比较分析,并给出了不同措施的适用性。结合粘弹性边界的物理模型提出了一个新的消除透射边界飘移失稳的措施,参考高频滤波的思路探讨了一种新的消除透射边界葛频振荡失稳的措施,并用数值试验验证了这两种新的透射边界稳定方法的有效性。将显式行限元一有限差分方法结合透射边界的数值解法的计算结果与解析结果作对比分析,验证这弹一套数值解法的计算精度。利用二维模型模拟了自贡土层和山脊地形的场地效应,利用显戈有限元一有限差分方法结合透射边界这套数值解法进行数值模拟计算,应用汶川地震的实示强震观测记录来验证这套数值解法对于实际地震波动模拟的有效性。     

采用显式有限元方法求解开放系统动力响应的主要环节和问题

分析了采用显式有限元方法求解开放系统动力响应的主要环节中影响精度和稳定性的因素及其相互关系,指出数值解的精度和稳定性是这些因素共同作用的结果。归纳了合理输入数字荷载应满足的条件以及系统离散化准则。基于有限元方法推导了吸收边界的一般表达式,并据此提出吸收边界和透射边界之间存在确定的函数关系,并不是两类独立人工边界的新见解。认为内域的阻尼稳定性和人工边界的近场稳定性是大型复杂开放系统动力响应数值方法研究和应用中的关键科学问题,并从应用的角度提出了解决问题的思路和看法。     

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.     

平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围的散射

采用一种特殊的间接边界积分方程法,求解了平面SV波在饱和半空间中任意形状沉积谷地周围的二维散射问题。结合饱和半空间中膨胀波源和剪切波源格林函数,由分布在沉积和半空间交界面附近两虚拟波源面上的波源分别构造沉积内外的散射波场,由交界面连续条件建立方程并求解确定虚拟波源密度,总波场反应即可由自由波场和散射波场叠加而得。然后通过边界条件验算、退化解答与现有结果的比较以及稳定性检验,验证了方法的计算精度。通过一组典型算例,研究了平面SV波在饱和半空间中沉积谷地周围散射的基本规律,详细给出了不同参数情况沉积谷地附近地表位移幅值和孔隙水压,着重分析了入射SV波频率和角度、边界渗透条件、沉积孔隙率等因素对场地反应的影响,得出了一些有益的结论。     

多次透射边界模拟成层介质中瞬态波动的精度分析

本文将对多次透射边界在瞬态波动模拟中的精度分析推广到介质中存在多个物理波速的情形，阐明了它模拟成层介质中瞬态波动的适用性，指出多次透射边界的误差随着透射阶数的增加而迅速减小，二阶透射边界已具有足够高的模拟精度。     

基于高阶双渐近透射边界的重力坝-层状地基动力相互作用分析

时域高阶双渐近透射边界能够同时模拟层状介质中行波和快衰波的传播,具有很高的计算精度和计算效率.本文将高阶双渐近透射边界推广应用到多层层状地基系统弹性波传播问题的模拟,采用广义特征值分解分析该透射边界的数值稳定性,通过移谱法消除导致数值不稳定的虚假模态.将高阶双渐近透射边界以超单元的形式直接嵌入到近场有限元方程,建立了有限元-高阶双渐近透射边界时域耦合分析模型,并将其应用到重力坝-层状地基动力相互作用分析.数值算例分析结果表明,该时域耦合分析模型具有很高的精度和计算效率,适用于实际重力坝工程的地震响应分析.     

暂态弹性波分析中人工边界的研究

本文提出一种应用于有限离散模型计算暂态弹性波时人工边界处理的新方法——多次透射法。它的误差与(ΔX)~N同量级,N为透射次数,ΔI为离散模型的空间步距。初步数值结果表明它对近场弹性波有良好的透射能力。这一方法为研究三维波传播问题提供了新的前景。     

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。