龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明：（1）龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中△CFS增加最明显的区域,而△CFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与△CFS的变化密切相关.（2）在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系一古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3）无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ACFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4）各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛V地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.

各向异性弹性波场的有限元数值模拟

研究了各向异性弹性波有限元正演系统的精度和效率问题 ,提出了一种透射加衰减的组合人工边界方案 (吸收边界条件 ) ,它对各向异性波具有较好的吸收效果 ,并且有较好的稳定性能 .均匀TI介质中的模拟获得了非常清晰的波场快照 ,其波场特征与理论分析能够准确吻合 .各向异性介质模型的地表地震记录表明 ,各向异性波炮集记录在波的类型、同相轴形态、能量分布和相位等方面与各向同性波都有很大差别 .

连续电性介质线源井-地电位三维有限元数值模拟

为了更好的研究油藏开发过程中剩余油的分布情况以及注水前沿的推进位置,给出了三维空间任意线电流源且电导率连续变化的井-地电位三维有限元数值模拟方法。在模拟过程中,采用异常电位法消除线电流源奇异性的影响,并且将网格节点间的电导率设计为连续变化,使其能够模拟实际中更为复杂的地质情况;考虑到采油井或注水井可能存在垂直、倾斜及水平等任意情况,推导了任意线电流源正常电位的计算公式;采用对称超松弛预条件共轭梯度法解大型线性方程组,解决了井-地电位三维模拟速度慢的问题,并编制了实用、高效的井-地电位三维模拟软件。通过对3例地电模型进行模拟计算,分析了水泥环胶结质量、回流井到观测井的距离以及目标层的深度对井-地电位观测结果的影响。

非结构化网格有限元弹性波数值模拟

使用时域有限元法进行复杂地质构造下的弹性波数值模拟时,采用非结构化网格比结构化网格能更灵活地适应对复杂几何区域的空间离散。根据弹性波动力学模拟中的空间数值频散条件和显式时间更新稳定条件,本文对有限元网格的划分进行了专门优化,使网格单元尺寸随模拟区域的介质速度变化而变化。对双层介质模型的计算证明有限元网格尺寸随速度值变化能够同时保证计算效率和计算精度,对复杂构造模型的计算表明非结构化网格下的有限元方法能够适应复杂地质构造的地震波模拟。

剪切带中斑晶旋转的粘弹性有限元数值模拟

采用粘弹性力学分析程序对太行山阜平地区剪切带中斑晶旋转问题进行了有限元数值模拟。在计算模型中假定 :石榴石斑晶为弹性材料 ,在应力作用下只产生很小的弹性变形 ;石英、长石质的基质部分为粘弹性材料 ,它具有随时间变形不断增大的特性。计算结果显示 :沿剪切力方向的最大位移能达到模型宽度的 3～ 4倍 ,相当于简单剪切的角度达到 70°以上 ,斑晶的最大旋转角度能达到 60°左右。这样的变形量级已经十分接近野外实际情况。由于目前地壳物质的粘度值基本上是通过间接推测得到的 ,其可信度较低 ,因此文中还讨论了基质的粘度变化对变形和应力的影响 ,分别取了 7个不同量级的粘度值 (10 17～ 10 2 3Pa·s)进行计算。

二维不可压无粘流动问题沿流线的有限元数值模拟

为克服二维不可压无粘流动问题一般数值格式的不稳定性和数值弥散现象，本文基于Ｅｕｌｅｒ方程的流函数－涡度表达式，把对流方程沿流线方向的离散技术应用于涡度方程，而对流函数方程采用标准有限元逼近。论证表明，采用沿流线的离散技术，可得到在Ｌ∞意义下的稳定解及对解的最优、拟最优逼近估计。

俯冲带深部应力场的二维粘弹性有限元数值模拟

基于粘弹性平面应变有限元数值模拟方法 ,研究了俯冲带深部的应力场特征 .当根据Karato等的研究结果给出俯冲板块的粘度结构时 ,橄榄石—尖晶石相变界面以下中心低粘区两侧出现应力集中区 ,而且其主压应力方向沿俯冲方向走向 .其特征与已有的深源地震主压应力方向沿俯冲方向及深源地震有两个条带的地震观测结果相吻合 .相变过渡区因矿物更小的颗粒粒度而导致的更小的等效粘度对俯冲带深部应力场的影响不大 ;存在和不存在亚稳态橄榄石楔的情况下 ,橄榄石—尖晶石相变过渡区附近都有最大剪应力的最大值出现 ,而其主压应力方向有垂直于橄榄石—尖晶石相变过渡区走向的趋势 。

俯冲带深部应力场的二维弹性有限元数值模拟

基于一些简化的数值模型 ,根据弹性本构关系 ,用平面应变有限元方法计算了相变引起的体积变化、板块内部温度差、密度异常及边界力产生的应力场分布情况 .数值模拟结果显示 ,热应力能够解释俯冲带深源地震的应力场方向特征 ,但解释不了深源地震的深度分布特征 ;有亚稳态橄榄石存在时密度异常所产生的应力场特征与地震观测结果所显示的应力场特征有所偏离 ;虽然橄榄石—尖晶石相变体积变化所产生的应力在橄榄石—尖晶石相变过渡区附近有最大值 ,其数值远远超过温度差和密度异常产生的应力场的最大剪应力数值 ,但在相变界面附近的区域 ,主压应力方向垂直于相变界面的方向 ,与地震观测结果所显示的主压应力的方向不一致 .所以 ,不能用弹性模拟得出的俯冲带温度变化所产生的热应力、俯冲带密度变化所产生的应力。

双相各向异性介质中弹性波传播有限元方程及数值模拟

基于Biot双相各向异性介质理论和动态问题的哈密顿原理,推导出任意双相各向导性介质中弹性波传播的有限元方程,并给出双相各向异性介质中弹性波有限元方程的数值解法。最后进行有限元法的数值模拟,对双相各向异性介质中弹性波传播特征进行了模拟与分析。

电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析

针对典型塑料方形扁平封装体PQFP在工作过程中的受热分析问题,基于热弹性力学理论建立了二维和三维有限元数值模拟分析模型.研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质.有限元数值模拟取得了与实验一致的结果.数值结果表明,采用较小弹性模量和热膨胀率的材料可以有效地减小热应力,基板和芯片的厚度是影响封装体变形的主要参数.数值分析结果为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据.

PBX炸药有效弹性模量的有限元模拟

采用代表体积元法,建立了炸药颗粒圆形随机分布和六边形规则分布细观力学模型,通过ANSYS有限元软件对PBX炸药的有效弹性模量进行了计算,计算结果和实验结果吻合较好.计算分析了炸药颗粒的性质、体积分数、形状和级配以及黏结剂性质等因素对PBX炸药有效弹性模量的影响.结果表明,炸药颗粒形状和分布方式对PBX炸药的有效弹性模量影响较小;颗粒级配对PBX炸药的有效弹性模量影响较大.PBX炸药的有效弹性模量随炸药颗粒体积分数以及弹性模量的增加而增大,在炸药颗粒体积分数较高时,炸药颗粒性质对PBX炸药有效弹性模量的影响较明显.黏结剂的体积分数虽然很少,但黏结剂的弹性模量对PBX炸药有效弹性模量的影响较大.

用大变形有限元对土体静力触探的数值模拟

采用大变形有限元和简单的接触面理论,数值模拟了静力触探的探入过程.比较了用弹性模型、修正的剑桥模型和砌块体模型的大变形模拟计算结果,表明考虑土体结构强度的砌块体模型的大变形模拟结果较优.

激光声表面波检测黏弹性平板裂痕有限元模拟

基于平面应变理论和频域动力学平衡方程,在频域中建立黏弹性平板表面激光激发声表面波的有限元数值模型.在分析材料的黏性特征对Rayleigh波传播特征影响的基础上,模拟了Ray-leigh波在黏弹性平板表面裂痕处发生的声波反射及模态转换的过程,进而计算了表面裂痕的位置及深度.模拟结果表明,激光Rayleigh波通过表面裂痕发生了明显的反射,并相继产生了两个反射Rayleigh波RR及RS,通过研究反射Rayleigh波RR及RS产生的物理机理,可以判定其表面裂痕的位置及深度,从而为定量检测黏弹性材料表面的缺陷提供理论依据.

管道节流孔口流场的有限元数值模拟

用有限元方法对流体管道内锐缘薄壁孔口的流场进行数值计算 ,给出雷诺数Re=60 0时流场的速度矢量图、流线图谱和等涡量线图 ,并对计算结果进行分析 。

弹性波动方程数值解的有限元并行算法

在求解弹性波动方程中,有限元法的高内存量和巨大运算量的需求在基于单CPU串行算法中一直难于满足,制约其优势的发挥。根据有限元法的“化整为零、集零为整”的基本思想与并行处理技术的“分而治之”的原则基本一致,采用基于多CPU的并行算法,从有限元参数矩阵计算和线性方程组求解两个方面入手,把求解区域分到多个CPU上并行计算参数矩阵,对线性方程组采用循环块三对角线方程组进行并行求解。对比了不同大小空间和不同CPU个数下的加速比,证实了多CPU的并行算法能够克服基于单CPU串行算法的物理限制,满足了有限元法的巨大空间量和运算量的需求。此算法具有理论上的正确性和实践上的可行性。

线弹性平板问题的两步最小二乘法有限元

用标准有限元求解椭圆边值问题,特别是含有多个变量的偏微分方程组时,由标准方法推导出的变分问题经常会出现鞍点问题,这将使得对应的离散化的代数问题是无限维的,给数值求解带来巨大困难;最小二乘有限元方法不会出现鞍点问题,但是在求解时,其产生大的半带宽会带来更大的运算量及求解结果的不精确;为解决上述问题,并取得最佳逼近解,给出了线弹性平板问题的两步最小二乘有限元方法,并对该方法进行了数值分析,并通过算例,验证了该方法的正确性。

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元(Discontinuous Galerkin:DG)方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D′Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D′Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D′Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.

形状记忆聚合物热致形状记忆行为的有限元数值模拟

由于TOBUSHI本构模型难以分析形状和加载条件复杂的形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)构件及增强SMP材料的形状记忆行为,针对其形状记忆行为,利用有限元软件MSC Marc,基于黏弹性理论对SMP材料的热致形状记忆行为进行有限元数值模拟,得到的应力、应变和温度之间的关系与TOBUSHI的实验结果基本吻合,从而发展适用于复杂SMP构件及增强SMP材料形状记忆行为的有限元分析方法.

双向预应力箱式腹板槽型梁有限元数值模拟

结合两种有限元软件的特点,模拟双向预应力槽型梁的变形和受力分析。通过Midas Civil 2006,分别计算槽型梁在横向和纵向预应力作用下钢束的预应力损失,利用虎克定律推算出相应的应变;在Ansys中建立有限元模型,以初始应变模拟预应力的作用,分析槽型梁在纵向、横向和双向预应力作用下的受力与变形。

轧辊弹性变形轧制过程的三维有限元模拟

应用MARC／autoforge商用有限元软件，对轧辊的轧制变形过程进行热力耦合模拟。研究了模拟过程中的轧辊的弹性变形、轧辊内的应力分布及轧辊的危险断面的位置，分析计算说明，采用有限元模拟的方法可以较好地反映金属的实际变形情况。