基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟

探地雷达(GPR)方法具有高效、高分辨率、无损探测等优势,广泛应用在城市道路病害体探测中。三维探地雷达是近年来发展起来的新技术,通过三维阵列天线进行三维数据采集,对道路病害体具有更高的空间分辨率和测量精度。本文利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,针对以空洞为代表的典型道路病害体,开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作,获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性。该研究对三维探地雷达实测图像解译和提高检测结果判定的可靠性具有重要的指导意义。     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

探地雷达GPR正演模拟的时域有限差分实现

近年来,随着数字处理技术和电子技术的飞速发展,探地雷达（GPR）的实际应用范围迅速扩大,现已覆盖考古、矿产资源勘探、水文地质调查、岩土勘查、无损检测、工程建筑物结构调查、军事等众多领域,解决了很多工程实际问题,成为浅层勘探的有力工具.而探地雷达的理论研究与实际的应用相比,具有明显的滞后性.但是解释人员要达到精确地对探地雷达实际资料的进行解析,必须事先了解地质体的雷达反射剖面的特征,所以作为反演与解释基础的复杂地电模型的探地雷达正演模拟技术,就成了探地雷达理论研究的主要内容之一.本文以麦克斯韦两个旋度方程为基本出发点,运用K.S.Yee的空间网格模型理论和时域有限差分法的基本原理,推导出二维空间的探地雷达正演方程组,并详细地分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法,及其雷达波电场与磁场分量在计算机上相互关系的C程序实现.然后讨论了数值频散关系及其产生原因,通过同时考虑时域有限差分法及Yee氏网格的特点,推导出了符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系,作者自制了探地雷达正演程序,并分别计算了Mur超吸收边界条件及无边界条件下的雷达地电模型,通过对比可知,超吸收边界条件可利用,大大地减少截断边界处的干扰波,达到用有限区域达到在无限空间传播的效果.最后作者利用自制程序,对“V”字形和同一斜面上的五个圆的两个典型的探地雷达地电模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图,消除了边界反射后的雷达剖面能很好地指导工作人员对雷达实测剖面的地质解释,同时使正演研究更符合实际的地质情况.     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

深水半潜式钻井平台动力定位实时功率模拟研究

以某深水半潜式钻井平台为例,建立平台和推力系统模型,对风、浪、流环境载荷作用下的动力定位系统进行时域模拟,得到平台的运动时历和功率消耗,对平台动力定位的实时功率进行研究。为了验证数值计算的准确性,开展相关模型试验研究。旨在借助时域模拟来分析平台动力定位实时功率,通过模型试验来验证数值计算,检验了动力定位时域模拟的可靠性和优越性,为以后工程实际应用提供了重要的理论依据。     

瑞利阻尼系数确定方法对高土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,瑞利阻尼系数在很大程度上影响计算的精度。改进了阻尼系数的确定方法,采用不同阻尼系数对土石坝进行了时域动力分析,并与频域计算结果进行了比较。结果表明：当坝高超过100 m后,采用结构基频确定瑞利阻尼系数的方法高估了结构的阻尼,导致结构的动力反应偏小;改进后的方法能较好地反映结构的阻尼特性。通过对拟建的双江口直心墙土石坝进行动力分析,进一步验证了改进阻尼系数确定方法的合理性。     

地下结构地震反应分析中场地瑞利阻尼构建方法比较研究

动力时程分析中,结构地震反应的计算精度很大程度上取决于瑞利阻尼系数的确定。通过对某一成层场地在不同地震动作用下的动力反应分析,比较了目前工程上常用瑞利阻尼构建方法的时域计算结果和频域等效线性化计算结果,探讨了由频域分析中的滞回阻尼比构建时域分析中瑞利阻尼系数的新方法。在此基础上,对比研究了不同瑞利阻尼构造方法对某单层双跨地下车站结构地震反应的影响。结果表明:对于场地地震反应而言,提出的瑞利阻尼系数的时域计算结果与频域解的平均误差最小;对于地下结构地震反应而言,改进完整形式瑞利阻尼系数的时域计算结果与该方法计算结果基本一致。提出的瑞利阻尼系数计算方法精度较高,操作简单,可在场地和地下结构地震反应分析中推广使用。     

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.     

探地雷达在预应力梁钢绞线孔道注浆质量检测中的应用

混凝土桥梁波纹管的注浆饱满程度直接关系到桥梁的安全和使用寿命,目前还没有能够准确检测波纹管注浆质量的方法。使用广义完全匹配层（GPML）作为吸收边界,依据时域有限差分法（FDTD）,对钢绞线注浆孔道中同埋深不同大小的空洞进行二维正演,并结合工程进行开窗验证,总结不同缺陷的雷达图像特征及其规律,为探地雷达法检测波纹管注浆饱满度提供了理论依据。      

探地雷达正演模拟与引水隧洞实测资料解释

本文从Maxwell方程组出发,给出了探地雷达时域有限差分法波动方程,介绍了UPML边界条件,推导出基于UPML边界条件探地雷达二维正演模拟的FDTD表达式,并编制了正演模拟MATLAB程序.利用该程序对典型地电模型进行正演与分析,明确了钢筋及空洞缺陷在雷达剖面图上的异常表现形式,证明了在钢筋间距为0.2m时,探地雷达能够对钢筋下存在的空洞缺陷进行探测.并把这些结论应用到福建省某水电站引水隧洞衬砌检测的实际资料解释中,有效地解答了实测资料解释中遇到的问题.