基于图像的三维裂隙岩体特征提取、简化及网格生成方法

为用最少的网格对高分辨率数字图像的三维裂隙特征进行简化表征,提出了一种基于图像的三维裂隙岩体特征提取、简化及其网格生成方法。首先采用中心面点提取算法将裂隙转换为一系列面,并对其进行网格生成、面片交叉标识及网格优化,以生成的裂隙面网格为约束生成四面体网格模型。然后采用体素和形状相似度两个参数对生成的面网格的代表性进行评估,通过最小二面角、半径比、边长比及体积比等网格质量度量参数对生成的四面体网格质量进行了评价。最后,以一个三维二值化岩石裂隙图像数据为例,对所提方法的有效性及可行性进行了验证。结果表明,该方法在保留裂隙主要几何特征的前提下较好地生成裂隙曲面网格。

基于SW26010处理器的PANDAS众核并行优化方法及在地质变形分析中的应用

有限元数值模拟是目前研究地质体变形分析的重要方法,方程组求解对模拟结果的时效性和精确度有重要影响。针对并行自适应非线性变形分析软件(PANDAS)模拟千万级大规模模型时方程组求解耗时长和收敛速度慢的问题,本研究基于SW26010处理器主从核异构架构和并行计算技术实现PANDAS众核并行优化。首先,通过区域分解实现大规模地质模型分解,降低单主核计算的数据量,然后利用矩阵压缩存储技术有效节省存储资源。最后,利用SW26010处理器的从核阵列优化迭代求解算法加速方程组求解过程。全地球模型的速度场模拟结果表明本研究提出的方法具有可行性,多孔介质模型压缩模拟的速度较CPU单核串行程序提升8.1倍,断层系统变形模拟的速度提升7.6倍。

中国地震科学实验场断层系统的三维计算网格模型

川滇地区受印度板块与欧亚板块碰撞运动影响地震频发,是开展地震研究的理想实验场。为实现基于几何模型的三维断层系统有限元模型快速构建,本文以川滇地区断层系统的主要断层几何模型为基础进行了以下研究。①改进了推进波前法,使其能够基于几何模型生成三维曲面的三角形网格,并自动识别需要局部加密的区域以及进行网格加密。②提出了交叉断层的交叉线识别算法,根据非参数曲面间的空间几何关系识别不同面(包括断层面与研究区域边界)之间的相交线。③完善了三维断层系统有限元计算网格模型快速构建方法:对原始断层几何模型进行延长、连接等操作,使其能在几何上代表断层真实形状;将研究区域外边界与内部断层面整合,并识别它们之间的交叉线;以交叉线为约束,使用改进的推进波前法对断层面进行网格重划分,修复网格拓扑关系和提高网格质量;最后,以断层面新生成的三角形面网格为约束,自动生成含断层的四面体计算网格模型。(4)将上述方法应用于中国地震科学实验场,构建了川滇地区断层系统的三维计算网格模型,为利用有限元数值模拟研究该区域地震动力学过程奠定了计算网格模型基础。

俯冲板块脱水相变对板块俯冲过程的影响

板块俯冲是地球上最重要的动力学过程之一,关于俯冲带相变对地幔楔和上覆板块影响前人已开展大量研究,但关于相变反应对俯冲板块的动力学影响研究较少。本研究在拉格朗日积分点有限元代码的基础上,实现了俯冲板块的相变,建立了二维自由俯冲模型,研究了俯冲过程中俯冲板块上矿物脱水相变对俯冲速度、俯冲板块形态、板块上的应力变化的影响。同时我们研究了薄弱带的黏度变化对俯冲起始与俯冲过程的影响。数值模拟实验结果显示:(1)俯冲板块脱水相变现象的发生降低了板块俯冲的速度,改变了俯冲板块的形态,在俯冲板块的相变界面处发生应力累积;(2)相较于矿物相变导致的黏度增大,俯冲起始角度仍是影响俯冲板块俯冲速度的主要因素;(3)薄弱带黏度越高越不利于俯冲板块与上覆板块的解耦,抑制了俯冲过程的进行。该研究为探究板块回卷的控制因素以及俯冲板块应力状态变化的影响因素提供了新的视角。

基于蚁群和Canny边缘检测算子混合算法的二维岩石图像裂隙特征提取与修复研究

岩石中常含有裂缝、岩脉等细小而重要的微观结构,需要高分辨率的成像技术来提取其特征。在岩石图像处理中,特征提取可以提取出岩石的主要结构信息从而极大降低数据量,然而某些细线状岩石特征(如裂缝、裂隙等)往往无法被完整识别出来而存在间断现象。本文在采用蚁群算法修复岩石细线状特征的基础上,综合利用蚁群算法、DBSCAN聚类算法和Canny算子提出一种新的岩石图像修复算法。根据设定的阈值,对提取的图像间断部分进行搜索并连接,以修复在图像特征提取过程中缺失的部分重要信息,同时去除修复过程产生的多余特征。实际结果表明,利用混合算法处理的岩石特征提取图像得到了较好的修复,能够提高岩石裂隙特征提取的准确性。

断层系统摩擦动力学行为的有限元模拟分析

绝大多数大地震发生在先存断层构造上,被广泛认为是一种断层摩擦失稳行为.研究断层上的摩擦动力学行为对地震数值预报具有重要意义.本文围绕地震断层动力学行为,首先回顾了断层摩擦动力学有限元模拟相关的进展,尤其是有限元模拟过程中断层摩擦行为的处理方法,重点分析比较了不同时间积分方案在有限元模拟计算中的差异,探讨了传统有限元方法在模拟断层摩擦失稳非线性的收敛性等难题.考虑到相关差异及问题,本文主要简明介绍了基于R-minimum策略自适应地控制时间步长方案及其有限元计算算法和相关软件,其兼顾了静态隐式与动态显式的优点,将不稳定的隐式迭代计算转变为显式计算;同时利用库仑摩擦定律及速率和状态相关的摩擦本构方程,通过节点-点任意接触单元模拟变形体之间的三维非线性接触摩擦动力学行为,并小结了相关的成功应用实例.此外,为了构建刻画复杂断层形态的有限元网格模型,本文在总结了相关有限元网格生成算法基础上,举例说明了我们最近发展的基于图像的复杂断层约束下非连续四边形和六面体网格的生成方法.最后以此为例,对生成的复杂断层系统模型进行了有限元数值模拟分析.