海洋可控源电磁三维非结构矢量有限元数值模拟

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型的计算结果与已有的二维自适应非结构有限元模拟结果吻合很好.带地形模型的数值模拟结果显示,海底地形对电场影响很大,有可能掩盖海底油气藏产生的异常.

基于非结构化网格的三维大地电磁自适应矢量有限元模拟

基于能够模拟复杂模型的非结构化网格,提出基于矢量单元的三维自适应有限元大地电磁模拟算法。其过程是:利用残差型的后验误差算子初步估算粗网格上的单元误差,通过加密误差超过限定的单元,生成新的网格;对新的网格重复上一步过程,从而得到更加精确的数值结果;重复迭代过程直到计算结果的精度达到预定要求为止,从而生成最优化的有限元网格;基于COMMEMI 3D-1 MT模型的数值模拟,验证本文算法的正确性。研究结果表明:通过自适应的网格加密和迭代求解过程,本文算法可以产生迭代收敛的数值结果,计算结果具有较高的精度。

基于微增模型的海洋可控源电磁法三维非结构化矢量有限元数值模拟

为了分析海洋中含金属矿的储油气砂层的成分、结构对于海洋可控源电磁场的影响特征,引入多相微增等效介质模型,结合非结构化网格实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元正演.首先对多相微增模型进行了介绍,并分析不同参数影响下的等效电导率变化特征.而后,详细推导了频率域可控源电磁法非结构化矢量有限元方程.接着,利用预处理的IDR(s)迭代算法求解线性方程组.最后设计典型的海洋地电模型,通过正演计算,验证了本文算法的正确性和有效性,同时研究了海洋储油砂层中的金属矿的含量、孔隙度、含水饱和度等参数对于可控源电磁场响应特征的影响.

沥青路面结构在非均布荷载作用下的三维有限元分析

轮胎与路面的接地形状更接近于矩形 ,且对路面的作用力也呈现出非均匀分布。采用三维有限元分析工具 ,分析了不同的沥青路面结构在不同车型及其不同荷载量、不同作用力分布形式下的力学响应分析。结果表明 :荷载的非均布特性对沥青路面结构的力学影响 ,要远大于均匀分布 ;从受剪特性来看 ,轻型货车对路面结构的影响 ,特别是当其超载时 ,是不容忽视的 ;路面结构的弯沉值并不能反映出路面结构的抗剪能力 ,相反 ,当路表弯沉越小 ,表现出路面整体强度越强时 ,其面层所承受的最大剪应力可能更大。

磁矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元正演计算方法

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势.然而,当前的全球电磁感应数据解释技术一般在频率域进行,缺少时间域中的研究成果.为了弥补缺少时间域全球电磁感应数据解释方法的问题,本文开发了一种基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元并行正演求解方法,具备高精度快速计算源于地球外部时变电流源的地球感应电磁场时间序列的能力,特别适合于计算与分析频谱极宽的磁暴脉冲电磁感应时变响应.首先,建立基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域微分控制方程,结合磁层外部电流源的物理属性建立边界条件和初始条件,从而构建出全球电磁感应时间域初始边界值问题.然后,利用四面体矢量有限元技术和无条件稳定的隐式后退欧拉公式,分别实现磁场矢量势的空间域和时间域离散,进而获得不同时刻的实系数大型有限元线性方程组,借助于高性能并行直接求解器,快速高精度地求解不同时刻的磁场矢量势与感应磁场.最后,利用理论模型验证本文算法的正确性.利用Dst磁暴环电流指数建立的时间域电流源与真实地球三维电性模型,研究"澳科一号"后续卫星200 km轨道对中国和澳大利亚下方地幔转换带高导体的探测能力,结果表明这些地幔转换带异常体在200 km卫星轨道高度能产生明显异常.综上所述,本文开发的时间域全球电磁感应方法不仅具备精确快速计算全球感应电磁场时间序列响应的能力,还能为反演与解释"澳科一号"等我国地磁卫星观测数据提供技术支持.

三维CSAMT法非结构化网格有限元数值模拟

考虑到可控源音频大地电磁法(CSAMT)电偶极发射源与地下介质的三维结构特点,本文采用非结构化网格剖分技术,开展了三维CSAMT方法有限元数值模拟研究,将三维电磁场的背景场和异常场分别求解,避免了电偶极发射源的奇异性问题,并减小了计算区域.推导了三维异常电场遵循的有限元方程,加入散度条件进行约束以消除电场伪解;对非结构化网格单元采用高斯加权平均算法,得到了精度较高的异常磁场.针对层状介质模型,与积分方程法对比,验证了有限元算法的正确性;计算分析了典型三维地质模型的电磁响应,异常体反映明显.结果表明本文算法正确、可靠,适用于三维地质模型的CSAMT方法正反演研究.

基于非结构网格三维有限元堤坝隐患时移特征分析

土石堤坝的内部隐患是造成堤坝事故的主要因素,严重威胁到坝体的安全和稳定。由于堤坝隐患会随时间发生形态与尺寸的改变,表现出明显的电性结构变化,因此通过时移电阻率成像方法可以实现对土石堤坝的实时监测,进而达到堤坝隐患快速预警的目的。目前的时移电法堤坝隐患监测技术主要基于一维或二维介质模型,无法准确描述三维堤坝结构的时移电性变化特征,为此,基于高密度直流电阻率法探测理论,利用三维非结构有限元数值模拟正演方法,精细模拟典型堤坝隐患模型直流电场的时移变化特征,分析响应变化规律。数值模拟结果表明,时移监测结果对堤坝隐患变化趋势具有良好的反映,堤坝隐患尺寸、位置和形态的改变能够引起监测异常幅值和位置的规律性变化。本文的研究成果可为堤坝隐患时移监测异常识别和灾害预警提供理论指导。

起伏地形下时间域激发极化法三维非结构有限元数值模拟

一般认为,起伏地形对激发极化法勘探影响不大,这是因为在地下介质极化率均匀的理想情况下起伏地形没有影响.当存在矿体的复杂介质模型时,起伏地形对激发极化法预期会存在一定影响.因为起伏地形的模拟,特别是对于三维模型具有较大的挑战性,所以目前还缺乏地形影响的定量化研究.本文实现了时间域激发极化三维非结构有限元数值模拟,由于采用了非结构网格剖分,特别适合任意起伏地形三维地电模型的数值模拟及其对激发极化影响的研究.在此基础上本研究对起伏地形下的板状、球状异常体进行了三维激发极化数值模拟,探讨了起伏地形对激发极化响应的影响.研究结果表明:非对称地形会使激发极化法的激电异常中心位置发生偏离,斜坡坡度越大异常的中心位置偏离越大,而且异常幅值也减小;地形影响的幅度与极化异常体非对称性存在关联性.

基于电场总场矢量有限元法的接地长导线源三维正演

电磁场数值模拟的背景场/异常场算法是三维正演的有效策略之一,优点为采用解析法计算电磁场背景场代替场源项、克服了场源奇异性,缺点为不适用于发射源布置于起伏地表或背景模型复杂的情形.总场算法是直接对电磁场总场开展数值模拟,其难点是有效加载场源、保证近区与过渡区数值解精度.本文以水平电偶源形式分段加载接地长导线源,并以电场总场Helmholtz方程为矢量有限元法控制方程,实现了基于非结构化四面体网格剖分的接地长导线源频率域电磁法三维正演.通过与均匀全空间中水平电偶源产生的电场解析解对比,验证了本文算法的正确性,并分析了四面体外接圆半径与其最短棱边的最大比值和四面体二面角最小值对数值解精度的影响规律.通过与块状高导体地电模型的积分方程法、有限体积法和基于磁矢量势Helmholtz方程的有限元法数值解对比,进一步验证了本文算法正确性,同时说明了非结构化四面体网格能够更加精细地剖分电性异常体,利于获得精确数值解.

可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟

本文实现了可控源电磁(CSEM)场三维自适应矢量有限元正演算法,该算法采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,能够真实模拟地形起伏和复杂电性异常体.采用一次场和二次场分离的方式计算电磁场响应,能够有效解决有限元模拟中的源点奇异性,提高场源附近电磁场数值精度,其中一次场利用CSEM一维正演算法解析求得,二次场采用矢量有限元方法求得.并利用基于后验误差估计的自适应网格细化算法指导网格细化,以减少人为设计网格导致的误差.通过一维和三维模型的数值模拟,验证了本文算法的有效性:一维模型有限元解与解析解吻合得很好,电磁场振幅相对误差在1%左右,相位差整体小于1°;三维模型有限元解与有限体积解吻合得也很好.模拟了一个含三维倾斜板状异常体的可控源电磁响应,表明了本文算法模拟复杂地电结构电磁场的能力和有效性.

基于间断有限元方法的三维近岸波生流数值模型建立

在三维水动力模型中引入三维辐射应力,水滚影响以及波浪附加紊动效应,并基于间断有限元方法建立了非结构化网格三维波生流数值模型。采用实验室内斜坡地形条件下正向入射波在破波带附近产生的近底回流和斜向入射波产生的沿岸流对模型进行了验证。结果表明,计算值与实测值吻合程度较好,该模型可以较好地描述三维近岸波生流。

基于非结构化六面体网格矢量有限元的大地电磁测深三维反演

结构化六面体网格对地形起伏的模拟效果不好,并且会对网格外延区域进行不必要的加密.有限元法在对区域剖分的网格选择上比较灵活,可以采用非结构化网格对研究区域进行划分,更适合对起伏地形和复杂的地质构造进行模拟.因此,本文基于矢量有限元算法,采用非结构化变形六面体网格来实现大地电磁三维正演,既能较好的模拟地形起伏,也能对局部重点区域进行加密,减少外扩区域的网格划分数量,减轻计算量.通过对理论模型的正演试算,验证了程序的正确性.对于反演,采用高斯-牛顿算法,分别对平地、双峰和双谷地形的理论模型进行了反演试算,对比了带地形反演和不带地形反演的结果差异,最后对日本Kayabe地区的阻抗张量数据进行了反演.理论模型和实测数据的反演结果表明本文算法能够用于三维大地电磁反演.

满足PTC的三维非协调形函数的显式处理

介绍了满足分片检验条件（ＰＴＣ）的非协调形函数生成方法，显式给出了满足ＰＴＣ的三维非协调元ＮＨ１１的内位移函数。计算表明显式处理后的单元与原单元具有相同的精度，但却在很大程度上节省了单刚形成时间和计算单元应力花费，进一步发挥了非协调元的数值潜力。

云南省昆明博物馆新馆基础隔震结构非线性动力分析

云南省昆明博物馆新馆位于高烈度区,采用铅芯橡胶隔震支座及普通橡胶隔震支座混合基础隔震体系。采用大型有限元分析软件etabs v9.5.0对其建立了基础隔震结构及其相应的非隔震结构的三维实体模型,采用非线性时程分析法对此模型进行了两个水平向地震作用的分析,讨论了隔震结构在多遇地震和罕遇地震下的隔震性能。分析结果表明,基础隔震结构能够满足高烈度区罕遇地震作用下的抗震需求,且基础隔震结构的水平地震响应明显低于非隔震结构,表现出良好的减震效果。在地震易发区,采用基础隔震结构是一个性价比较高的方法。

非均布轮载下沥青路面结构层厚度变化时的力学响应分析

轮胎与路面的接地形状更接近于矩形,且对路面的作用力也呈现出非均匀分布。采用三维有限元分析工具,分析了不同的沥青路面结构、不同的车型,当路面结构层厚度变化时的力学响应变化规律。

复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁法三维响应特征

与频域电磁法相比,瞬变电磁法可有效区分空气波和海底电磁响应,在浅海油气藏探测中具有良好的应用前景。近海海域地质条件一般较为复杂,普遍具有强切割地形及复杂构造,使电磁场响应特征变得异常复杂,给数据解释工作带来极大困难。本文基于时域有限元法,采用非结构化网格对复杂地质模型进行剖分,通过构建时域有限元方程并结合偶极子离散的长导线源近似技术以及后退欧拉离散技术,实现了复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁三维正演模拟。在验证算法精度后,通过复杂地质模型的三维正演,分析了不同海水深度对空气波与海底油气藏目标体的影响,在此基础上,进一步分析了不同围岩电阻率以及海底地形对油气藏目标体分辨率的影响,结果表明:在浅海条件下,脉冲响应受空气波影响较大,阶跃响应受空气波影响较小,随着深度增大空气波影响变小,对油气藏的分辨率也降低;围岩电阻率及海底复杂地形对电性源瞬变电磁影响严重。

起伏地表频域/时域航空电磁系统三维正演模拟研究

由于航空电磁系统具有工作频率低、时间延迟短等特点,地形对航空电磁响应有很大影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.本文将基于非结构化网格的矢量有限元法应用于模拟起伏地表条件下频域/时域(FD/TD)三维航空电磁系统响应.该方法由于采用非结构网格,与传统的结构化网格电磁正演算法相比,能更好地拟合地形和地下不规则异常体,提高对不规则地形和地下介质航空电磁响应的计算精度.通过将计算结果与半空间模型的半解析解及已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.通过对典型山峰和山谷地形航空电磁响应分析对比,总结了地形对航空电磁响应的影响特征.研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.

起伏地形条件下长偏移距瞬变电磁三维正演

地球物理勘探区的地形往往是起伏复杂的,传统长偏移距瞬变电磁法(long-offset transient electromagnetic method, LOTEM)三维正演模拟一般不考虑地形的影响,而地形因素会严重影响LOTEM数据的合理解释。因此,本文开展起伏地形条件下非结构矢量有限元LOTEM三维正演模拟。首先,应用三维建模软件Blender准确建立复杂地电模型,采用非结构四面体网格精细刻画起伏地形。其次,基于偶极子离散的长导线源近似技术,将长导线源离散为若干段等效电偶极子,并引入二阶后退欧拉格式完成时间离散。进而实现LOTEM快速、高精度三维正演。在保证计算精度的前提下,模拟了起伏地形条件下复杂地质模型的瞬变电磁场响应。模拟结果表明,由于地形的影响,LOTEM电磁场响应“畸变”严重,会削弱甚至完全“埋没”地下异常体的瞬变电磁场响应,严重影响地下目标体的有效探测。

基于Lanczos-模型降阶算法的三维频率域可控源电磁快速正演

快速的电磁法正演模拟是反演的核心要素之一.本文针对陆地可控源电磁(CSEM)问题,实现了三维多频的快速正演.首先基于电场的微分控制方程,利用非结构化网格和伽辽金方法建立关于电场矢量的有限元线性方程组.为快速求解大规模复系数有限元线性方程组,本文引入了基于有理Krylov子空间的单极点模型降阶算法.该方法只需求解实系数矩阵方程,然后使用Lanczos算法快速构建有理Krylov正交基子空间,达到系数矩阵维数降阶的目的,从而加快正演求解速度.层状模型和低阻块体模型的计算模拟表明:在精度满足条件的情况下,同常规有限元方法相比,加速比达到10~20多倍.对于百万未知数级、几十至上百个频率的三维可控源电磁正演问题,在个人PC机上只需几分钟便可快速求解.

三维编织复合材料结构的有限元分析（Ⅰ）

首先介绍三维整体编织复合材料结构有限元分析过程，重点研究了三维编织复材料结构弹性特性描述方法、有限元刚度矩阵的建立过程以及有限单元材料非均质问题的处理方法。方法的优点是单元尺寸小，几何模型更为方便简化。