黏弹性材料Biot模型参数确定及其在黏弹阻尼结构中的应用

黏弹性材料广泛用于工程结构减振降噪,其本构模型的研究对黏弹阻尼结构的动力学分析具有重要的意义。Biot模型能够真实反映黏弹性材料参数随着频率变化的动力学特性;提出了一种确定其参数并将其结合到黏弹阻尼结构有限元动力学方程的方法;通过对频域内试验测得的黏弹性材料储能模量和损耗因子数据进行多参数非线性曲线拟合,并将其转化为在复频域内带约束条件的非线性优化问题,可以使非线性多参数确定问题大大简化;借助辅助耗散坐标将黏弹性材料Biot模型引入到黏弹阻尼结构有限元动力学方程中并转化成常规的二阶线性微分方程,实现了求解的简化。通过试验研究对该方法进行了验证,结果表明提出的Biot模型参数确定和有限元相结合的方法是正确、简单和有效的。

Biot本构模型黏弹夹芯梁振动特性分析及其实验研究

黏弹夹芯结构广泛用于薄壁构件的振动和噪声抑制,对其动力学行为的研究一直广受重视。以黏弹夹芯梁为研究对象,提出了一种建立其有限元动力学模型的方法。建模时弹性表面层按欧拉梁处理,中间黏弹性层不可压缩,认为阻尼来只自其纵向剪切变形。Biot本构模型用来描述黏弹性材料参数的频率依赖性动力学行为,通过耗散坐标将其引入到黏弹夹芯梁的有限元方程中。最后对黏弹夹芯梁结构的振动和阻尼特性进行了数值分析及实验研究。结果表明所提出的夹芯梁有限元建模方法是正确、简单和有效的,对工程实际应用具有一定的参考价值。

用Biot地层孔隙介质模型进行井中多极声场储层参数灵敏度分析

以Biot多孔介质理论为基础建立了孔隙介质计算模型,数值计算了地层孔隙度、渗透率以及孔隙内饱含流体性质改变时井孔内多极源激发的模式波的频散曲线和衰减曲线,结果显示模式波的衰减对储层参数的敏感程度较相速度要大。通过对比斯通利波、弯曲波和螺旋波的衰减系数发现,多极源的级数越高,模式波对储层参数的变化越灵敏。

球面各向同性圆球土样的Biot固结模型

利用B iot固结的基本理论和球面各向同性弹性力学的一般理论,建立了球面各向同性圆球土样B iot固结问题的数学模型,在此基础上,应用Fourier,Laplace,及Hankel变换等数理方法求出其解析解;也可应用数值分析的方法进行编程计算。因此,模型的建立对其后的求解工作及B iot固结理论的扩展有重要的意义。

基于横向各向同性BISQ模型的弹性波高阶交错网格有限差分数值模拟

孔隙介质模型主要有Biot模型与BISQ模型。BISQ模型同时考虑了Biot流动与喷射流动,能够获得比Biot理论更为准确的结果。弹性波数值模拟有利于认识波的传播特性与过程,而采用高阶交错网格有限差分法数值模拟的空间频散性比低阶差分法小。本文从BISQ模型弹性波的本构方程和运动方程出发,推导出了基于横向各向同性BISQ模型的弹性波高阶交错网格有限差分算法,还进行了数值模拟。通过调整差分阶数、频率以及黏滞系数,研究了兼顾两种流动机制时弹性波的传播特性,并分析了BISQ模型下弹性波的透射与反射。

基于改进BISQ模型双相介质波场数值模拟

Biot理论和喷射流动理论是表述动态孔隙弹性性质的基础理论。弹性波在多孔隙双相介质中传播时固-流相互作用的这两种力学机制是同时存在的,Biot流动力学机制描述的是宏观现象,喷射流动机制反映的是局部特征,Dvorkin和Nur将其两者有机结合,提出了统一的BISQ(Biot-Squirt)模型。Mamadou Sanou和Erwin Appel又提出了不含特征喷射流动长度的改进BISQ模型,更便于描述且计算简单,正演数值模拟表明:改进BISQ模型与BISQ模型的结果保持一致,具有较好的可行性。

双相各向同性介质伪谱法地震波场数值模拟

伪谱法是一种模拟精度和计算效率都较高的地震波场数值模拟方法。该方法通过对空间坐标的快速傅里叶变换实现数值计算,在时间域直接采用差分运算代替导数的求解,避免了求偏导数;不存在有限差分和有限元等方法对高频成分限制的问题,可以实现全频带地震波场模拟;对内存容量的需求远远低于有限元法。利用伪谱法实现双相各向同性介质地震波场数值模拟的基本原理是:首先基于Biot模型给出双相各向同性介质弹性波波动方程;然后推导出二维双相各向同性介质的伪谱法计算公式;最后对给定的介质模型进行模拟试算。模拟结果表明,弹性波在双相各向同性介质中以快纵波、横波和慢纵波3种方式传播。基于模拟结果,分析了各类波的传播规律,讨论了耗散系数和孔隙度对地震波传播的影响。

双相介质地震勘探纵向分辨率研究

利用地震响应分辨地下地质现象的能力,取决于地震记录分辨率的大小,基于双相介质模型研究地震勘探分辨率可以促进油气资源、海洋高分辨率地震勘探技术的应用与开发.基于BISQ双相介质模型,结合相速度与衰减分析,研究了雷克子波在双相介质中传播时纵向分辨率随传播距离的变化.同时,分析了渗透率、黏滞系数、喷射流长度等模型参数变化对于纵向分辨率的影响.研究表明:由于BISQ模型的衰减机制,雷克子波在传播过程中,主频不断向低频端移动,分辨率不断降低;在其他条件相同时,渗透率增加,分辨率相对较高,黏滞系数增加,分辨率相对较低,喷射流长度增加,分辨率相对较低;子波纵向分辨率在传播距离不非常大的情况下,分辨率与传播距离可以近似的作为线性关系处理.

横向各向同性含气储层声波特性研究

文中利用各向异性孔隙介质声学理论,对横向各向同性孔隙介质Biot模型进行了详细推导,得到了弹性参数的计算公式,并进一步进行了数值模拟和分析。在横向各向同性孔隙介质Biot模型的基础上,引入孔隙介质饱和度影响机制,对双相孔隙流体下岩石声学性质进行了计算分析,得到声波岩石物理、声波测井以及地震勘探不同频率下的声波规律及特性,并对比分析了其变化趋势和差别,分析了各种波的频散特性,为实际数据处理提供理论依据,也为声波速度的外推提供了一种新的思路。

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。

基于纵横波解耦的双相介质弹性波方程正演模拟及结果分析

纵横波联合探测可以获得丰富的地下结构信息.本文从各向同性介质Biot方程出发,推导基于纵横波解耦的高阶有限差分算子,给出其最佳匹配层(PML)吸收边界条件及稳定条件,在此基础上实现双相各项同性介质中弹性波数值模拟及纵横波解耦.对双层模型及含天然气水合物沉积地层模型进行数值模拟,模拟结果证实:在交错网格空间中,该算法能有效模拟地震波在双相弹性介质中的传播,得到高精度的纯纵波、纯横波波场快照与合成记录.分析解耦的纵横波,可以认识到:快、慢纵波因相互伴生而无法实现分离,且归属于纯纵波波场.慢纵波尽管衰减得快,但被某一界面反射后,转换形成的纵波和横波仍以正常的方式传播,且比慢波衰减小.在固相、流相中的纵波分量、横波分量的记录上均能识别出BSR.

饱和多孔介质中球形空腔的动力响应

以修正的Biot饱和多孔介质理论为基础,应用势函数和Fourier变换,求解了饱和多孔介质的球对称动力问题,并在此基础上,分析了饱和多孔介质中球形空腔的动力响应.

采用Kagome夹心板的航天器仪器安装板振动控制

为了实现航天器仪器安装板的振动控制,建立了采用Kagome夹心板制作的仪器安装板的有限元模型,并选用一种圆柱形黏弹性阻尼器,通过Biot模型建立了该阻尼器的有限元模型;计算了各阶模态中Kagome平面桁架的模态应变能在结构总模态应变能中所占的比例,将其作为模态可控度,再结合给定载荷情况下的模态位移来确定需要控制的模态,由此提出了一种利用模态应变能比来控制多模态振动的阻尼器布置方案.特征值分析及时域响应数值模拟表明,该阻尼器布置方案只需使用很少数量的阻尼器,便可以显著增加较宽频带内所有模态的阻尼比,而且对于其他模态的振动也有一定的抑制作用.

黏弹夹芯板的有限元建模及实验研究

从有限元分析和数值模拟及实验验证的角度研究了黏弹夹芯板的频率依赖振动特性。夹芯板中间层为黏弹性材料,其刚度和阻尼的频率依赖性行为直接影响系统的模态频率和阻尼,并导致振动模式求解的复杂化。采用三阶七参数Biot模型描述黏弹性材料频率相关的黏弹性行为。开发了三层四节点28自由度的夹芯板单元,基于经典板理论和哈密顿原理建立了黏弹夹芯板的有限元动力学方程。通过引入辅助耗散坐标,将Biot模型和黏弹夹芯板的有限元动力学模型结合起来,并将其转化为常规二阶线性系统形式,极大简化了求解非线性振动特性的过程。对一边固定、另三边自由的黏弹夹芯板进行了前三阶固有频率和损耗因子的预测,并与实验结果对比。数值模拟结果和实验结果吻合良好,说明所提有限元方法是正确有效的。

掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的声衰减建模

采用Biot-Stoll海底模型分别预测了声波在粗沙、沙质泥和粘土质泥3种典型海底的声衰减系数与声透射系数,通过研究多种海底的声传播特性,建立了掩埋条件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型,分析了掩埋对水雷声引信性能的影响。研究结果表明:不同的海底底质、不同的掩埋深度和不同的引信工作频段都会在不同程度下影响水雷声引信的工作性能,在相同的掩埋深度下,10 Hz^5 kHz引信频带内,粗沙海底对声引信的影响最大,粘土质泥对声引信的影响最小,随着海底底质平均颗粒直径的减小和孔隙度的增加,掩埋对声引信的影响有逐渐减小的趋势。

基于总应力法的波致海床剪切破坏准则

基于Biot固结模型,综合考虑围压、侧向排水条件及土体渗透率、孔隙率和剪切模量变异性等多方面因素的影响,对波致海床失稳问题进行了数学建模;基于总应力法建立了波致土体剪切破坏准则,该准则既适用于砂土,也适用于正常固结粘土。基于该准则,对东海大桥海上风电场海床稳定性进行了分析,讨论了平均波高、百年一遇的波高及破碎波高三种波况下,场地土体有效应力、振荡应力及应力角的变化情况,得到了波高变化对海床稳定性的影响趋势。本文的方法可为海上风电场的选址及基础设计提供参考。

利用地震波速估算长江江堤浅地表孔隙度

孔隙度是涉及岩土稳定性的重要参数,由于岩石物理建模的复杂性,估算岩土孔隙度相对困难.本研究采取岩石物理学中微分等效介质(DEM)模型和自适应(SCA)模型计算江堤浅地表岩土的弹性模量,将地震横波速度与孔隙度联系起来.通过浅地表瑞雷波,反演得到横波速度,在测井资料和实测孔隙度数据的约束下,进而估算出孔隙度剖面.研究结果表明,研究区域堤防结构稳定,仅在浅部人工填埋层孔隙度较大,结构较为松散.随后,分别利用实测数据和Biot模型验证了孔隙度的准确性,结果表明,基于SCA的孔隙度剖面更为可靠.本研究建立并验证了地震波速度与孔隙度的关系,提出了一种高效率无损估算浅地表孔隙度空间分布的方法,并揭示利用地震资料对浅地表岩土进行水文解释的机理.此外,基于江堤岩土孔隙压力在汛期可能发生的剧烈变化,我们针对防洪减灾提出了相应的岩土工程建议.