完全匹配层在矩阵式波动方程SBP-SAT方法应用

数值离散方法和截断边界效果是地震动模拟实现的关键。基于分部求和(summation-by-parts,SBP)和一致逼近(simultaneous approximation term,SAT)的SBP-SAT方法具有较高的稳定性,这使得该方法具备了较高的应用前景和价值。此外,完全匹配层(perfect matching layer,PML)是一种应用广泛用于模拟截断边界的技术,但引入匹配层可能会破坏原始方程的稳定性,特别是在各向异性介质或曲线域模型中。首先基于数理推导,给出弹性波动方程系数矩阵的对称形式。在此基础上,引入多轴完全匹配层(multi-axis perfect matching layer,MPML),并建立相应的匹配层方程。通过本征值分析,我们可以判断阻尼函数对原方程特征根实部的走向和取值范围的影响。然后,我们采用SBP-SAT方法对矩阵对称形式匹配层方程进行离散,并在频域中采用能量法进行稳定性评估。通过对不同模型的数值仿真,表明所提出的离散框架具有整合度高、稳定性好和拓展性强等特点。此外,多轴匹配层可以与SBP-SAT方法结合,可以稳定地模拟曲线域中的波传播。

TI介质中P-SV波传播的SBP-SAT模拟

基于速度-应力形式的弹性波动方程,采用分部求和和同时逼近项技术建立的SBP-SAT方法,推导了横向各向同性(transversely isotropy,TI)介质的矩阵对称型(symmetric matrix form,SMF)弹性波动方程离散形式,并通过能量法进行了稳定性分析。将该方法应用于倾斜横向各向同性(tilted transverse isotropic,TTI)介质模型、垂直横向各向同性(transverse isotropy with a vertical axis of symmetry,VTI)介质和含裂缝及曲线域的复杂介质模型,对所得的速度幅值和单炮记录分析并总结规律;对不同时间步长、单元网格数的结果进行对比,得出计算效率并验证该方法在求解P-SV波传播问题上的正确性。数值模拟结果表明,该方法模拟精度高,适用性好,在地震数值模拟领域有很好的应用价值和前景。

工程力学专业实践教学改革举措

实践教学环节是高等教育的重要组成部分。工程力学专业通过优化实践课程内容体系、使用虚拟实验和网络教学平台、加强科研成果转化、实验室和实习基地建设、开创第二课堂实践教育体系等举措,达到提高实践教学的目的。

半空间椭圆夹杂与裂纹对SH波的散射

采用Green函数、复变函数及多极坐标方法求解弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位裂纹对SH波的散射问题。利用"保角映射"技术求解椭圆夹杂对SH波的散射位移场,并构造适合的Green函数,即含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和的反平面荷载作用时位移基本解,结合裂纹"切割"法构造裂纹,进而获得椭圆夹杂与裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。通过具体算例讨论不同参数对地表位移、弹性夹杂周边动应力集中系数及裂纹尖端动应力强度因子影响规律。

等腰三角形凸起与半圆形凹陷地形对SH波的散射

研究了弹性半空间中两个等腰三角形凸起与半圆凹陷相连地形对SH波的散射.首先使用"分区"的思想将求解区域分为3个区域,再采用"契合"的方法在3个区域中分别构造满足边界条件的位移解,通过移动坐标法,在公共边界实施"契合",并结合半圆形凹陷表面上应力自由的边界条件,建立求解该问题的无穷代数方程组.最后通过具体算例分析表明不同参数对等腰三角形凸起与半圆形凹陷地形地表位移有着明显影响.

SH波上方垂直入射时界面附近椭圆夹杂与裂纹的动态响应

采用Green函数、保角映射等方法分析SH波上方垂直入射时弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位裂纹的相互作用。首先,求解含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和出平面线源荷载作用时的位移基本解,即Green函数,再结合裂纹切割法构造裂纹,得到SH波上方垂直入射时椭圆夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。作为算例,给出大量的数值结果,探讨不同参数情况下弹性夹杂周边动应力集中系数(DSCF)、地表位移及裂纹尖端动应力强度因子(DSIF)的分布规律,结果表明不同参数的变化会对三者的分布带来一定的影响。

SBP-SAT方法及其在波动领域的应用

基于分部求和(Summation By Parts)方法和同时逼近项(Simultaneous Approximation Terms)技术建立的有限差分方法,具有更高的精度和稳定性。同时在介质几何不连续、参数突变条件具有较大的优势。国内对SBP-SAT方法的相关研究目前较少,论文对该方法的研究背景,方法发展过程进行了介绍并基于SBP-SAT方法和弹性波动理论,结合初边值条件,推导出曲线网格条件下的弹性波动SBP-SAT离散方程。最后,通过数值模拟实现地震波传播过程,介绍该方法在地震数值模拟领域中的应用价值和前景。

基于等效转化关系的一维非均匀介质波动问题解析方法研究

基于波动方程与位移场解答等效思路,获得非均匀介质波动问题与均匀介质柱面波等效转化关系。分析发现两类问题模型间可相互转化,问题解答可相互等效。等效转化实质为几何形状与材料参数的等效关系。利用等效转化关系获得两个一维非均匀介质波动问题算例的解析解。

径向非均匀介质中圆形夹杂的动应力分析

基于复变函数理论,研究了径向非均匀弹性介质中均匀圆夹杂对弹性波的散射问题.介质的非均匀性体现在介质密度沿着径向按幂函数形式变化且剪切模量是常数.利用坐标变换法将变系数的非均匀波动方程转为标准亥姆霍兹(Helmholtz)方程.在复坐标系下求得非均匀基体和均匀夹杂同时存在的位移和应力表达式.通过具体算例分析了圆夹杂周边的动应力集中系数(DSCF).结果表明:基体与夹杂的波数比和剪切模量比,基体的参考波数和非均匀参数对动应力集中有较大的影响.

SH波对三角形凸起与半圆形凹陷地形的地震动

利用复变函数法与多极坐标法对中间是半圆凹陷、一边是斜三角形凸起和一边是等腰三角形凸起的组合地形对SH波的散射问题进行研究。首先将求解区域分为3个部分,再分别构造不同区域满足边界条件的驻波解,并在公共边界实施"契合",并建立满足半圆形凹陷表面应力自由边界条件的无穷代数方程组。最后通过具体算例分析不同参数对三角形凸起与半圆形凹陷相连地形地震动的影响。

SH波对浅埋弹性圆柱及裂纹的散射与地震动

采用Green函数、复变函数和多极坐标等方法研究含圆柱形弹性夹杂的弹性半空间中任意位置、任意方位有限长度裂纹对SH波的散射与地震动.构造了含圆柱形弹性夹杂的半空间对SH波的散射波,并求解了适合本问题Green函数,即含有圆柱形弹性夹杂的半空间内(表面)任意一点承受时间谐和的出平面线源载荷作用时位移函数的基本解答.利用裂纹"切割"方法在任意位置构造任意方位的裂纹,可以得到基体中圆柱形弹性夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场.通过数值算例,讨论各种参数对夹杂上方地表位移的影响.

含方形凹陷半无限非均匀介质波动问题FDM模拟

采用规则网格有限差分方法对二维平面弹性波动方程进行差分离散,得到相应的弹性波动方程的有限差分方程,再将弹性波动方程的差分格式与吸收边界、自由边界的离散形式结合形成弹性波动方程有限差分方程解决问题的主体,将其应用于含方形凹陷半无限非均匀介质的模型中进行数值模拟,得到此离散化模型中不同时刻不同节点的位移值。针对具体算例,运用上述方法结合科学计算软件MATLAB和结果后处理软件DIFEM ISOLINE PLOTER得到不同时刻的水平方向位移等值线图与接收器测量点处的合成位移记录,讨论非均匀介质、吸收边界、方形凹陷等对波动特性的影响。

SH波在浅埋可移动圆柱形刚性夹杂处的散射与地震动

采用复函数、多极坐标法研究了含有可移动圆柱形刚性夹杂的弹性半空间对SH波的散射问题。构造一个能自动满足含可移动刚性圆柱的弹性半空间自由表面上应力为零的边界条件的散射波,应用可移动圆柱形刚性夹杂的运动条件来确定该散射波。最终则可将求解问题归结为求解一个无穷代数方程组,采用截断有限项的方法对其进行求解。给出了地表位移幅值的数值结果,并讨论了各种参数对它的影响。

指数梯度半无限介质中波的传播

为了解无限介质中波的传播特性,研究特殊速度梯度的半无限非均匀介质中声波的传播。基于点源声波特殊性,给出适当边界条件,并对波动方程进行Laplace变换后变量分离处理,通过对Bessel方程求解获得速度势函数的积分表达式。该方法可为大气层中声波、电磁波传播及地震波研究提供参考。

出平面线源载荷对浅埋弹性圆柱散射与地震动

为研究半空间内圆柱与裂纹同时存在时复合缺陷的动力学响应,采用复变函数、多极坐标方法,求解了与时间谐和的出平面线源荷载对含有弹性圆柱的半空间散射问题,给出了弹性圆柱周边的动应力集中与地表位移的数值结果.采用"分区"的方法,分别构造出含有弹性圆柱半空间内的散射波和弹性圆柱体内驻波的表达式,应用位移与应力边界条件求解出表达式中的未知数,确定散射波和驻波;从而给出含有弹性圆柱半空间的位移场与应力场.通过数值算例,讨论了各种参数对弹性圆柱周边的动应力集中系数与地表位移的影响规律.结果表明,线源荷载埋深大于60时,对地表位移就没有影响了.

井壁稳定性的断裂损伤力学分析

为了研究石油工程中的井壁失稳问题,将断裂力学和细观力学相结合,给出了一种新的计算方法.根据断裂力学和微观损伤力学原理,研究了脆性岩石中含微裂纹的扩展条件、扩展方向和变形机理.由井壁附近的应力状态和岩石破坏准则,建立了井壁坍塌和地层破坏的力学计算模型,并对井壁稳定性的问题中的井壁坍塌和地层破坏进行了定量的分析,确定了钻井液密度的范围.所给出的计算结果与传统的油井工程中采用的摩尔-库仑准则所得出的结论相同.同时通过细观力学分析和考虑岩石断裂韧性的影响,提出了岩石的内禀断裂应力的概念.此概念将揭示岩石变形机理的本质,并为钻井工程设计提供理论参考依据.

含任意直线型裂纹的直角域中圆柱夹杂对SH波的散射

采用Green函数及复变函数方法研究了SH波作用下直角域内任意直线型裂纹对圆柱弹性夹杂的影响。首先,取含有圆柱弹性夹杂的直角域内任意一点承受时间谐和的出平面线源荷载作用时的位移函数基本解作为适合Green函数;其次,利用裂纹切割技术构造裂纹,并写出圆柱夹杂与裂纹同时存在时的位移场和应力场;最后,给出圆柱弹性夹杂动应力集中系数的算例和结果,并讨论了裂纹的存在对动应力集中系数的影响。

出平面线源荷载对半空间中半圆形凸起的圆柱形弹性夹杂的散射

采用复变函数法和Green函数法,求解出平面线源荷载对半空间中半圆形凸起的圆柱形弹性夹杂的散射。首先,给出在含有半圆形凸起的圆柱形弹性夹杂的弹性半空间中,水平表面上任意一点承受时间谐和的出平面线源荷载作用时的位移函数,取该位移函数作为Green函数;然后,采用分区的思想,分别构造出夹杂内的驻波和夹杂外的散射波,满足"公共边界"处位移和应力的连续性条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组;最后,给出了动应力集中系数和水平地面位移幅值的数值结果,并进行了讨论。

半空间内孔边界面裂纹对SH波的动力响应

采用"镜像"和"剖分-契合"等方法,对SH波作用下半空间孔边界面裂纹的动应力问题进行了研究。首先,采用"镜像法",将半空间镜像为全空间,构造出满足边界条件的散射波场;其次,借助"剖分-契合"方法和"裂纹切割"技术,将全空间沿界面分割成两个半空间求解后,再由界面应力位移连续"契合"条件组合成全空间,建立起求解该问题的积分方程组;最后,对界面裂纹端点的动应力强度因子(DSIF)进行数值分析。分析结果表明:适当地避开入射波波数、入射角度及裂纹长度等最不利影响因素的组合,可达到降低裂纹尖端点动应力的目的。

含有部分脱胶的浅埋圆夹杂对SH波的散射

采用复变函数法研究了含有部分脱胶的浅埋圆柱形弹性夹杂对SH波的散射与地震动问题。在圆形弹性夹杂中构造一个满足脱胶部分应力自由的驻波函数,将其展开为含有一个待定系数的Fourier级数。在半空间中,介质应满足脱胶部分应力自由、公共边界处位移和应力连续的边界条件,从而建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后,给出了地表位移的数值结果。给果表明,入射波参数、脱胶位置、弹性夹杂参数以及埋深对地表位移都有一定程度的影响。