弱形式时域完美匹配层——滞弹性近场波动数值模拟

本文旨在构建适用于滞弹性近场时域波动有限元模拟的高精度人工边界条件：完美匹配层（Perfectly Matched Layer：PML）,其中阻尼介质时域本构基于广义标准线性体建立.与以往研究不同,本文采用复坐标延拓技术变换弱形式波动方程构建了可直接用有限元离散的弱形式时域PML,规避以往独立对无限域内波动方程及界面条件进行延拓可导致的PML场方程和界面条件匹配不合理引发数值失稳、计算精度低下等问题.其次,针对PML中多极点有理分式与频域函数乘积的傅里叶反变换难以计算的问题,利用PML精度对复坐标延拓函数中延拓参数微调不敏感这一特点,明确给出了参数微调准则以规避多重极点,进而利用有理分式分解给出了一种普适、简便的计算方法,极大地简化了PML计算.基于该方法可实现任意高阶PML.最后,将本文构建滞弹性PML与高阶勒让德谱元（高精度集中质量有限元）结合得到滞弹性近场波动谱元离散方案.基于算例验证了滞弹性PML的计算效率、精度及新离散方案的长持时稳定特性.新离散方案可应用于计入实际介质阻尼的地震波动正、反问题数值模拟,提高波形模拟的精度以及地下波速结构反演的精度和可靠性.     

新疆北天山地区宽频带地震动模拟关键技术研究

近年来,我国强震动观测记录数据库有了大幅扩充,一定程度上满足了重大工程抗震设防对宽频带地震动输入的迫切需求。然而,对于地震频发、强震动观测记录少的地区,宽频带地震动的数值模拟仍是确定合理地震动输入的重要途径。北天山地区是新疆经济社会发展的核心区域,现有强震动观测记录难以满足该区重大建设工程的抗震设防需求。研究构建考虑北天山地区震源机制、地质构造以及场地特征的宽频带地震动模拟方法对于高地震风险的北天山地区具有重要工程应用价值。宽频带地震动模拟方法由具有强区域特征的高频地震动随机模拟方法及基于求解无限域波动问题的低频地震动模拟方法组成。本文围绕北天山宽频带地震动模拟方法构建中的关键问题展开研究:针对高频地震动模拟,主要研究中小震震源模型的构建及非平稳地震动合成所需的群速度模型;针对低频地震动模拟,主要研究无限域波动数值模拟中高精度人工边界的构建,以尽可能缩小模拟工作区和提高计算效率。取得的研究成果如下:(1)北天山地区震源和路径传播模型构建。利用该地区2009—2015年843个M_L≥3.0地震记录,采用多台多地震联合反演方法建立了该地区的路径衰减、台站场地响应以及震源谱模型。结果表明,北天山地区中小震震源谱具有分段特性:4级以下地震的震源谱与引入震源谱高频衰减因子(κ=0.003)的Brune模型在统计意义上基本一致,4级以上地震的震源谱逐渐偏离Brune模型,呈现较为明显的双拐角频率特性;另外,震源谱存在分区差异,库拜盆地、塔里木盆地内地震的震源谱在高频段衰减更为显著。(2)北天山地区等效群速度模型构建。在已有基于等效群速度模型合成地震动的工作基础上,引入震相微分计算方法改进了等效群速度的计算方法;提出应用测震记录P波到时构建最快波群速度模型,分析了最快波群速度选取对等效群速度模型构建的影响;基于北天山地区的强震动观测记录,统计得到该地区的等效群速度模型。等效群速度模型引入到高频随机模拟方法的算例结果表明,基于等效群速度模型考虑地震动非平稳特征可给出更为合理的地震动模拟结果,对于面波发育的深厚覆盖层场地影响尤为突出。(3)高精度人工边界条件完美匹配层构建。完美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,其构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发的数值失稳、计算精度低下等问题。为此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,规避了变换后所得场方程与界面条件的匹配不合理问题。新方法可直接给出弱形式匹配层,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。(4)新源—和静6.6级地震地震动场的数值模拟。2012年6月30日新源—和静地震是北天山地区近50年来发生的最大地震,测震及强震动观测记录均较为丰富。本文应用反演所得滑动分布和随机滑动分布分别拟合了强震动台站的地震动时程,对比分析了拟合反应谱与观测记录反应谱的差异性;模拟了该地震的烈度分布图,分析其与实际调查烈度图和基于新疆常用地震烈度衰减关系计算的烈度图之间的差异,探讨了破坏性地震发生后应用高频随机有限断层方法生成地震烈度分布图的可行性。     

虚拟波动域三维海洋可控源电磁场正演模拟

本文基于对应原理将似稳态条件下频率域电磁场扩散方程转换成虚拟波动域电磁场波动方程,采用高阶时域有限差分进行求解,引入复频移完全匹配层吸收边界条件,降低了内存需求,提高了计算效率,并在虚拟波动域用伪δ函数离散电偶极源,实现了虚拟波动域任意取向电偶极源三维海洋可控源电磁场高阶时域有限差分正演算法.通过与拟解析解和频率域三维可控源电磁场数值模拟结果的对比,验证了本文算法的正确性和高效性,且探讨了网格参数和边界条件对不同频率电磁场模拟结果的影响.     

基于PML边界条件的二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟

完全匹配层(PML)作为一种稳定高效的吸收边界条件,广泛应用于基于一阶电磁波动方程的探地雷达(GPR)数值模拟中.为解决基于二阶电磁波动方程的GPR数值模拟的吸收边界问题,本文借鉴二阶弹性波动方程的PML边界条件构建思想,提出了一种适合二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟的PML边界条件.从二阶电磁波动方程出发,基于复拉伸坐标变换,推导了PML算法的频域表达式;通过合理构造辅助微分方程,得到了PML算法的时域表达式,并以变分形式(弱形式)加载到GPR时域有限元方程中,实现了PML边界条件在二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟中的应用.在此基础上,对比了无边界条件、Sarma边界条件和PML边界条件下均匀模型的波场快照、单道波形、时域反射误差和能量衰减曲线,结果表明:PML边界条件的吸收效果要远优于Sarma边界条件,具有近似零反射系数.一个复杂介质模型的正演模拟验证了PML边界条件在非均匀地电结构中电磁波传播模拟的良好吸收效果.     

SH波场中完全匹配层吸收边界研究(英文)

无限域中的波动方程数值模拟往往需要稳定有效的吸收边界来消除人为边界截断所引起的虚假反射.本文首先写出了全匹配层(PML)内SH波的波动方程推导结果,并给出了方程的Crank-Nicolson计算格式与其中窄间导数2阶,6阶,10阶精度的有限差分算法以及伪谱法算法.然后设计了均匀各向同性介质模型和分层溶洞模型并引入图像处理中的信噪比(SNR)概念来定量研究边界吸收效果同PML宽度、不同精度算法的关系.数值结果表明当匹配层宽度比较薄时可以用低精度的有限差格式来获得比较好的吸收效果,当匹配层比较宽时,采用高精度的算法可以获得很好的吸收效果.最后对"反射系数"进行了讨论,指出"反射系数"的不足和文中用SNR来定量衡量吸收边界     

ABAQUS中动力问题边界条件的选取

数值模拟是研究半无限域中结构地震反应的重要手段,而边界条件的选取则直接影响到数值模拟结果的可靠性.本文应用有限元软件ABAQUS,分别采用固定边界条件、黏性边界条件和远置边界条件对简单弹性半无限介质的波源问题和散射问题进行了数值模拟分析,结果显示:使用固定边界时,波动不能穿过边界面进入半无限介质,这与波动在半无限介质中...     

黏性声波方程数值正演中的匹配Z变换完全匹配层吸收边界

本文将非分裂场形式的匹配Z变换PML引入黏声波方程数值正演中,用时域有限差分模拟检验了其在黏声波方程模拟中的效果.数值正演结果表明,在大角度入射时匹配Z变换完全匹配层比传统PML表现更佳,消除了大角度入射产生的低频虚假反射.长时间能量衰减计算证明匹配Z变换完全匹配层在黏声波方程模拟中具有10⁵时间步的稳定性.     

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

基于递归积分的复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法

常规完全匹配吸收边界(PML)对以近掠射角入射到界面上的波以及低频波、损耗波都会产生虚假边界反射.基于递归积分的不分裂复频移PML算法,利用复频移拉伸函数,极大地改善了PML边界条件的性能,我们进一步推导出基于递归积分的不分裂复频移PML弹性波方程交错网格高阶差分法,对长条形介质模型进行数值模拟,与常规PML算法进行比较说明该算法对以掠射角入射到PML界面的波以及PML层内损耗波的吸收效果.     

三维弹性波数值模拟中改进的NPML研究

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件达到衰减人为边界反射的目的,其中完全匹配层(PML)吸收边界条件被认为是目前最理想的吸收边界条件.但在三维地震波传播数值模拟中直接应用常规的PML吸收边界条件存在编程实现复杂、计算资源需求高等不足之处.本文基于传统的NPML吸收边界条件,提出了一种改进的方法.该方法通过引入伸展函数和辅助变量,把PML介质中的三维弹性波动方程分解成正常计算项和衰减项,其中衰减项的计算只在PML区域内部进行,其值只与坐标轴的方向相关,可通过离散数值迭代求解.分析和试验结果表明,该方法避免了卷积运算,减少了辅助变量的个数,具有理论方程简洁、编程实现简单、计算资源需求少等优点,能更有效地解决三维地震波传播数值模拟中的吸收边界问题.     

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSP Runge-Kutta）算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层（NPML）的思想,基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML）,该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.     

基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.     

Hybrid absorbing boundary condition for three-dimensional elastic wave modeling

Edge reflections are inevitable in numerical modeling of seismic wavefields, and they are usually attenuated by absorbing boundary conditions. However, the commonly used perfectly matched layer (PML) boundary condition requires special treatment for the absorbing zone, and in three-dimensional (3D) modeling, it has to split each variable into three corresponding variables, which increases the computing time and memory storage. In contrast, the hybrid absorbing boundary condition (HABC) has the advantages such as ease of implementation, less computation time, and near-perfect absorption; it is thus able to enhance the computational efficiency of 3D elastic wave modeling. In this study, a HABC is developed from two-dimensional (2D) modeling into 3D modeling based on the 1st Higdon one way wave equations, and a HABC is proposed that is suitable for a 3D elastic wave numerical simulation. Numerical simulation results for a homogenous model and a complex model indicate that the proposed HABC method is more effective and has better absorption than the traditional PML method.     

Perfectly matched layer-absorbing boundary condition for finite-element time-domain modeling of elastic wave equations

The perfectly matched layer (PML) is a highly efficient absorbing boundary condition used for the numerical modeling of seismic wave equation. The article focuses on the application of this technique to finite-element time-domain numerical modeling of elastic wave equation. However, the finite-element time-domain scheme is based on the second-order wave equation in displacement formulation. Thus, the first-order PML in velocity-stress formulation cannot be directly applied to this scheme. In this article, we derive the finite-element matrix equations of second-order PML in displacement formulation, and accomplish the implementation of PML in finite-element time-domain modeling of elastic wave equation. The PML has an approximate zero reflection coefficients for bulk and surface waves in the finite-element modeling of P-SV and SH wave propagation in the 2D homogeneous elastic media. The numerical experiments using a two-layer model with irregular topography validate the efficiency of PML in the modeling of seismic wave propagation in geological models with complex structures and heterogeneous media.     

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。     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

地震波数值模拟的非规则网格PML吸收边界

以格子法为基础,以声波方程为例研究非规则网格PML(Perfectly Matched Layer)方法.本方法的核心是建立局部坐标系下的分裂方程和基于积分近似的微分方程弱形式.该非规则网格模拟方法允许在计算域内设置任意形状的人工边界.对于二维半空间问题,与采用矩形人工边界相比,采用半圆形人工边界可减少计算量20%以上.采用光滑的曲边界,不仅可减少计算区域,还可避免常规的PML吸收边界在吸收带角点区域的特殊处理.本方法事先计算和存储边界单元的局部几何参数,在计算的每一时间步查表调用这些参数,与常规的直边界PML方法相比,不增加任何计算量.