适合地形起伏的二维有限单元数值模拟技术

在有限单元法矩形～三角形单元剖分的基础上,提出了适合复杂地形条件下的网格剖分方法:平行四边形～三角形剖分方法。计算结果表明,该方法具有快速、高效的特点。只要对原有程序稍加修改,即可实现对复杂地形条件下的复杂地电断面进行自动剖分和网格节点自动编号。因此,对于复杂地形条件下的地电模型,该方法能快速地实现较为精确的数值模拟。     

三角剖分自动生成的两种算法

网格剖分是数值模拟中有限元方法的基础和关键之一 ,剖分的好坏直接影响模拟结果的精度。数值模拟目前已应用于许多领域 ,如地球化学、水文地质、工程地质、矿床地质、油气地质、油藏工程、土力学和岩石力学等。在众多的网格剖分中 ,三角剖分最具优势 ,可以很好的拟合任意形状的边界 ;三角平面的组合可以较好地逼近任意曲面 ;三角形元素的局部逼近多项式可以采用完全多项式。以往三角剖分多采用手工剖分或者设计复杂的自动剖分 ,具有速度慢、扩大误差、增加计算周期和不能充分拟合边界等缺点。笔者在工作中发现了两种三角剖分自动生成方法—…     

电阻率层析成像及演中若干问题的讨论

以双异性点电流源电流场二维地电断面为例，着重讨论了电阻率展析成像反演中有限单元法数值模拟边界条件的选择、网格剖分以及模拟精度等问题，同时也讨论了成像反演中最优化及演方法及拟合参数的评价等。文中提出的新的网格剖分方法和选择的边界条件可有效地提高计算速度和数值模拟的精度。     

迭代有限元法数值模拟若干问题的讨论

以点源二维地电断面为例，着重计论迭代有限元法数值模拟的边界条件，网格剖分以及模拟精度等问题。     

一种适用于电磁法数值模拟的二维建模与网格剖分方法

为满足电磁法二维数值模拟解释对交互建模与可视化网格剖分的需求,利用计算机图形学、人机交互、拓扑关系学等技术,设计了基于测线、测点等信息的二维矢量建模、四边形和三角形网格剖分方法与流程,并开发形成了软件模块。该方法与软件可提供起伏地形下大地电磁、可控源音频大地电磁法二维数值模拟的三角形、四边形网格(下边界随地形变化或平地形)剖分实用化工具。将该方法应用到多种模型试验中,取得了良好的建模与网格剖分效果。     

基于区域Delaunay自动剖分的含水层参数反演

针对地下水有限元数值模拟中区域三角网格剖分复杂难以处理的情况,提出适合其特点的Delaunay三角网格自动剖分方法,并对含有多个参数分区的含水层进行网格剖分,最后利用遗传算法和有限元程序相耦合来反演含水层水文地质参数。结果表明此方法可大大简化地下水数值模拟的前处理工作,并能提高有限元网格剖分的有效性和准确性,从而得到令人满意的数值模拟结果。     

起伏地表下的复杂三维地质模型建立与重力异常计算

由于地质体和矿体的形态非常复杂，使用长方体网格离散建立正演模型时可能和真实情况有很大差别，因此计算结果可靠性差。本文提出一种基于约束Delaunay网格剖分的方法对地质体进行离散并进行重力建模，在模型边界等复杂区域使用网格自适应加密技术，将三维地质体离散为有限个四面体；并详细推导出针对四面体网格的重力正演公式，实现了基于约束Delaunay网格剖分技术的三维重力数值模拟；最后，针对一个合成数据模型，将计算解与解析解对比。结果表明，细化网格的模拟结果比粗糙网格更好，满足数值模拟的精度要求。将该方法应用到金川矿区实际地质体建模中，根据局部需要，建立各处网格密度不均匀的三维模型，并计算该模型的地表重力场，而后对比模拟数据与实测数据，结果表明Delaunay网格建模方法具有很强的适用性，能够模拟复杂的地质体重力异常。     

开挖模拟在数值流形方法中的实现

针对数值流形方法特有的覆盖剖分方式,提出了一种模拟岩土工程中开挖过程的算法。该算法采取某种措施,在覆盖剖分过程中将开挖面视为特殊的不连续面,这种不连续面将其所在的数学网格剖分成不同的流形单元,但却不对所在的数学覆盖作剖分。这样,开挖面两侧虽分属不同的流形单元,但开挖面两侧同一数学网格内的流形单元却具有相同的物理覆盖。采用该算法,无需对开挖面处的单元进行特殊处理,可在整个分析域采用统一的网格形式;同时,打破了原有数值流形方法的限制,将开挖面的位置完全当作连续介质来处理,避免了因将其视为不连续面而产生的误差。验证了算法的可靠性后,将其应用于某假想隧道的开挖模拟,计算结果表明该算法具有一定的应用前景。     

基于PML井间可变交错网格的弹性波数值模拟

井间地震以其高精度和高分辨率的特点,正在成为解决构造精细成像、储层描述等问题的关键技术,这就需要高精度和高效率的正演模拟技术作为其有效辅助手段.这里基于非均匀介质理论基础的弹性波方程数值模拟方法,将可变交错网格引入到小尺度薄互层非均匀介质井间地震弹性波模拟,对不同尺度的地质体采用不同尺度的网格进行剖分模拟.数值模拟结果表明,可变交错网格在保证模拟精度的前提下,进一步提高了模拟的时效性和对复杂介质模型模拟的适应性,对研究精细的井间地震弹性波场特征和传播规律具有重要的作用.     

电法测井的三维有限元模拟

研究了不同测量方式(井-地,地-井,井-井)下点源场井中电法的三维有限元数值模拟。考虑到深度方向上大范围的网格剖分和井眼的影响及井-井测量等因素,采用放射状三棱柱单元的网格剖分方式,以提高网格质量,减少剖分单元数;给出了三棱柱单元的坐标变换公式,进行精确的单元积分,减少了单元积分时间;结合非结构化网格技术,实现了复杂模型的模拟;开发出相应的程序实现了复杂条件下(如考虑井眼影响、井井测量、倾斜井情形、地形起伏等)电法测井的三维有限元模拟,数值算例验证了方法的可靠性及计算效率,并对不同情形下的异常响应进行了分析,为进一步的反演工作奠定了基础。     

基于混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法

极限分析是岩土工程稳定性评价的重要方法之一。传统的有限元极限分析方法,采用低阶三角形单元时需要引入速度间断面并采用特殊网格布局,或者采用高阶三角形单元等措施来克服体积锁定问题和提高数值精度。在光滑有限元法（smoothed finite element method,简称SFEM）的基础上,提出了一种基于新型混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法（mixed constant stress-smoothed strain element limit analysis,简称MCSE-LA方法）。在服从关联流动法则和Mohr-Coulomb屈服准则的基础上,MCSE-LA方法最终将数值极限分析转化为以应力和极限荷载乘子为基本未知量的二阶锥规划（second order cone programming,简称SOCP）问题。MCSE-LA方法具有形式简单、优化变量相对较少和无需显式的写出塑性内能耗散函数的优点,并且根据凸锥优化的对偶理论,可以从对偶问题中获得速度场和塑性乘子等信息。此外,还采用基于最大塑性剪应变率的网格自适应加密算法,该算法在塑性区细化网格,显著提高了新数值极限分析方法的计算效率和精度。最后通过边坡稳定分析的结果对比,验证了MCSE-LA方法的计算精度和效率均高于传统的有限元极限分析方法。     

复杂区域四边形网格生成的一种改进方法

提出了一种改进的四边形网格生成算法。该法在行波法生成平面三角形网格的基础上，将一个三角形单元分解为三个四边形单元。经过优化处理，获得优良的计算域四边形网格。针对岩土工程结构问题，还提出了网格剖分中尖灭不连续面和锚杆及锚索的处理方案。地下洞室和边坡算例表明了这种方法的可行性和可靠性。     

露采矿山宕口坡面表面积计算方法探讨

介绍了露采矿山整治中山体坡面表面积的两种计算方法:剖面法和小三角锁法。剖面法是把宕口坡表面分割成无数个小梯形进行计算表面积的一种方法。小三角锁法是通过对宕口坡表面数字化测量,根据测量数据建立数字高程模型,并在表面建立小三角锁,对所有小三角的面积累加得到面积的一种方法。小三角锁法大大提高了计算的准确度和效率。     

A finite volume approach with local adaptation scheme for the simulation of free surface flow in porous media

We present a method for solving steady‐state flow with a free surface in porous media. This method is based on a finite volume approach and is halfway between a fixed and an adaptive mesh method, taking advantage of both approaches: computational efficiency and localization accuracy. Most of the mesh remains fixed during the iterative process, while the cells in contact with the free surface (free surface cells) are being reshaped. Based on this idea, we developed two methods. In the first one, only the volumes of the free surface cells are adapted. In the second one, the computational nodes of the free surface cells are relocated exactly at the free surface. Both adaptations are designed for a better application of the free surface boundary conditions. Implementation details are given on a regular finite volume mesh for the case of homogeneous and heterogeneous rectangular dams in 2D and 3D. Accuracy and convergence properties of the proposed approach are demonstrated by comparison with an analytical solution and with existing references. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩土参数随机场离散的三角形单元局部平均法

将不确定性岩土参数建模为随机场而非传统意义上的随机变量,基于随机场的局部平均理论,提出了用于二维随机场离散的三角形单元局部平均法。通过面积坐标变换和高斯数值积分,给出了三角形单元局部平均随机场协方差矩阵的解析计算方法和数值计算方法。采用算例再现了所提方法的分析过程和有效性,并与传统二维随机场四边形单元离散法进行了对比。结果表明:提出的二维随机场三角形单元离散法能与有限元三角形单元离散法完美结合,随机场单元与有限元单元的对应关系清晰,易于随机有限元程序的编制;对于随机场单元的均值,传统四边形单元离散法与所提方法的计算结果相同;对于随机场单元的方差,传统四边形单元离散法计算结果偏小,所提方法显得更加科学、合理。     

基于激光测量和FKM聚类算法的隧洞岩体结构面的模糊群聚分析

岩体隧洞结构面的数量、产状和发育情况是评价隧洞透水性和稳定性的重要指标。采用三维激光测量技术可以快速获取隧洞周围岩体激光点云数据和结构面的几何信息。提出了基于柱面投影和Delaunay生长算法的激光点云的三角网重构技术,利用构建的三角网平面方程的法向向量计算出单个三角网平面的产状,并应用FKM聚类算法进行隧洞岩体结构面产状的模糊群聚分类。该方法可以快速得到不同组的优势产状,且分类结果可用不同颜色进行空间显示。最后运用自主研发的FSS软件对某隧洞的岩体结构面优势产状进行了研究,研究结果表明：1）基于柱面投影和Delaunay生长法的点云构网方法特别适合于隧洞工程,构网速度快、效率高,重构得到的三角网表面与被采样的岩体表面拓扑差别最小;2）FKM模糊群聚方法对隧洞岩体结构面的群聚分类结果可靠、合理,具有较强的通用性和推广性。     

Multiscale method for long tunnels subjected to seismic loading

A multiscale method for the dynamic analysis of underground structures is proposed, which involves the concurrent discretization of the entire domain with both coarse‐scale and fine‐scale finite element meshes. The coarse‐scale mesh is employed to capture seismic response characteristics of the integral system, whereas the fine‐scale mesh describes in detail the dynamic response in positions of potential damage or interest. For both the coarse‐scale and fine‐scale meshes to overlap, a bridging scale term is introduced so that compatibility of dynamic behavior between the coarse‐ and fine‐scale models is enforced. Both material and contact nonlinearities are considered in the multiscale model. As an application, the model is used for large‐scale seismic response of a newly built long‐distance shield tunnel. Results show that this multiscale method does not have spurious wave reflections at the fine/coarse interface and does not need filtering procedures, which is an advantage compared with the displacement coupling method. Stress and deformation response in lining segments and their connecting bolts are investigated and analyzed within the fine‐scale model, and the capacity of critical structural components, such as bolts and joints is evaluated. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

复杂区域自适应三角形网格全自动生成方法

为了使用自适应有限单元法求解岩土工程问题，本文在行被法的基础上，提出了一种适用于多介质复杂区域的三角形网格全自动生成方法。文中给出三个工程算例．     

淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法

为模拟淹没丁坝群平面二维水流运动,提出了淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法并建立了数学模型。新方法的主要实施方案:① 将丁坝视为无厚度坝,用网格线概化丁坝;② 采用新的网格节点布置形式,即水深、流速节点布置于网格界面上,水位节点布置于网格中心,有别于一般交错网格节点布置。模型采用基于结构网格下的有限体积法对方程组进行离散,同时将淹没丁坝坝顶水深代入离散方程中进行求解。采用已有的水槽试验资料,进行了初步验证,模拟了长江下游东流水道已建丁坝群工程实施后河道的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。     

Numerical simulation of fracture flow with a mixed-hybrid FEM stochastic discrete fracture network model

We introduce a discrete fracture network model of stationary Darcy flow in fractured rocks. We approximate the fractures by a network of planar circle disks, which is generated on the basis of statistical data obtained from field measurements. We then discretize this network into a mesh consisting of triangular elements placed in three-dimensional space. We use geometrical approximations in fracture planes, which allow for a significant simplification of the final triangular meshes. We consider two-dimensional Darcy flow in each fracture. In order to accurately simulate the channeling effect, we assign to each triangle an aperture defining its hydraulic permeability. For the discretization we use the lowest order Raviart-Thomas mixed finite element method. This method gives quite an accurate velocity field, which is computed directly and which satisfies the mass balance on each triangular element. We demonstrate the use of this method on a model problem with a known analytical solution and describe the generation and triangulation of the fracture network and the computation of fracture flow for a particular real situation.