考虑梁弯扭耦合对钢轨横向振动特性的影响

为准确预测弹性波在钢轨中的传播,且探究考虑Timoshenko梁弯扭耦合的必要性,基于波谱-辛混合法建立了考虑梁弯扭耦合的钢轨-扣件空间无限长模型.在模型验证的基础上,分析考虑Timoshenko梁弯扭耦合对钢轨横向固有频率与速度导纳的影响,进一步从理论和试验方面分析了扣件胶垫垂向预压特性对钢轨横向弯曲振动特性的影响.研究结果表明:考虑梁弯扭耦合使得钢轨横向弯曲共振频率增大了约29.6 Hz,且在钢轨横向弯曲振动中同时出现弯曲和扭转pinned-pinned模态;扣件胶垫垂向预压特性主要影响钢轨横向中低频振动,随着预压的增大,钢轨横向弯曲共振频率增大;当预压从30 kN增加到50 kN时,实测的横向弯曲共振频率增加了13.7 Hz,考虑和不考虑梁弯扭耦合时其分别增加了12.5 Hz和21.7 Hz;不同预压下考虑梁弯扭耦合的钢轨横向弯曲共振频率变化规律与实测的结果更为接近.

基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一.本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法.本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现;另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性.该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.

地球自由振荡的保结构模拟

大地震等诸多激励均能激发全球自由振荡现象,通常表现为驻波形式的全球整体振荡.现有的地震波数值模拟方法多为非保结构方法,无法压制长时程计算中的积累误差.本文采用优化的三阶辛格式谱元法,对地球自由振荡及全球尺度的地震波传播进行了长时程模拟.通过与传统的基于Newmark算法的谱元方法结果对比分析,明确验证了本文所得优化的三阶辛格式谱元法在模拟地球自由振荡等大规模长时程问题上的优越性和准确性.上述进展在方法论层面为今后探测、刻画全球尺度地球非均匀结构的驻波数值方法奠定了部分基础,并为相关研究领域提供了新的选择.

基于谱元方法的三维矢量波动方程的辛离散格式

本文给出了三维矢量波动方程的无穷维Hamilton系统形式并提出了一个新的数值逼近格式.基于Gauss-Lobatto-Legendre多项式,建立了该无穷维系统的矢量谱元方法空间离散格式,并得到一个有限维Hamilton系统.进而,利用辛差分方法对该有限维系统进行全离散,以期保持系统的结构和能量.最后,借助于对角化技巧处理刚度矩阵和质量矩阵,在得到高精度逼近格式的同时,大幅降低了计算量和存储量.

基于辛-谱元-FK混合方法的保结构远震波场模拟

远震全波形层析成像能获得研究区域下方岩石圈乃至地幔过渡带高分辨率速度结构,是研究地球深部构造与动力学过程的有效工具.该类方法需以高精度及长时程远震波场正演模拟为基础,这为设计高精度长时程稳定的正演算法带来了挑战.在此背景之下,本文提出了一种适用于远震波场模拟的保结构算法.该方法采用谱元法(SEM)对研究区域进行空间离散,在不考虑耗散项情况下,将空间离散后的常微分方程变换为哈密顿系统形式,采用保辛分部龙格-库塔方法数值求解.在三级保辛分部龙格-库塔算法基础上添加额外空间离散项,得到修正辛算法.本文将该时间-空间全离散形式称为修正辛-谱元法(SSEM),并将SSEM算法与频率波数域(FK)方法结合,发展了可模拟高频远震波场在局域模型内传播的SSEM-FK混合方法.该方法结合了FK方法模拟层状介质中平面波传播的高效性和SSEM计算复杂介质中弹性波传播的精确性.数值实验表明,SSEM-FK能够准确模拟高频远震波场在研究区域内的传播,结合该方法在计算效率上的优势,可为高效、高精度的远震全波形层析成像打下基础.

基于辛格式的谱元法及其在横向各向同性介质波场模拟中的应用

基于分部的Runge-Kutta离散形式,给出了一种新的三阶辛积分算法,数值试验表明,长时程计算时该算法具有好的控制误差累积的能力;与有限差分法进行空间域离散相结合,通过数值试验进一步说明算法的有效性.注意到位移波动方程通过谱元离散后的微分方程组,完全符合新推导的三阶辛算法离散所需形式,因此将该三阶辛算法与谱元法结合具有很好的优势,并通过对横向各向同性介质弹性波场的模拟,结果显示不但成功模拟了波的传播特性,而且相对于传统算法,优势明显.