基于Davidenkov本构模型的三维沉积盆地非线性地震动谱元法模拟

为研究三维沉积盆地内低波速土体非线性反应对近断层地震动的影响,实现基于物理的全过程(震源破裂-地震波传播-复杂场地效应-近地表土体非线性反应)三维复杂场地地震动模拟,在谱元SPECFEM3D程序中进行二次开发,采用目前具有丰富工程应用且适用于不同土类的三参数Martin-Seed-Davidenkov本构模型,结合已有的不规则加卸载准则,通过在程序中修改每个显式时间步下的应力增量,实现了土体剪切模量的实时更新和加卸载拐点的有效识别,将土体的非线性特性纳入到三维复杂场地地震动模拟中。首先将建立的三维模型通过施加合理边界退化至一维,与一维非线性动力分析软件DEEPSOIL的结果进行了对比,验证了开发的正确性;进而将开发的程序应用于中国滇西南地区施甸盆地的非线性地震动模拟,并与相应的线性结果进行了对比。结果显示,受土体非线性的影响,施甸地区PGA和PGV较线性结果峰值均降低,且非线性土体对PGV的影响更加明显,较线性结果最大降低约30%;沉积非线性使沉积内部观测点的速度及其反应谱幅值降低,且特征频率向长周期方向移动。

1970年通海 M s7.7地震中通海盆地地震动模拟

1970年通海M s7.7地震是云南省近百年来发生的震级最大且烈度最高的一次强烈地震。通海盆地在此次地震中出现了IX~X度烈度异常区,震害严重。基于通海盆地新生界厚度和浅层速度结构等资料,建立了包含1970年通海地震发震断层和通海盆地的三维计算模型。采用凹凸体位于断层面不同深度的多个震源模型和三维谱元法模拟通海地震的地震动场。根据模拟地表速度峰值(peak ground velocity,PGV)分布与烈度对比,以及盆地内剖面时程,分析了地震动分布及通海盆地烈度异常区产生的原因。研究表明:通海地震近断层极震区的棒锤型分布,可能是由近断层的破裂方向性效应引起,断层地表迹线东北侧山峰对地震动有较明显的放大作用。通海盆地的显著放大区域主要位于盆地西南IX度烈度异常区对应的凹陷区域,不同震源模型在该区域模拟的PGV均明显大于盆地其他区域。凹凸体位于地下10~16 km的震源模型模拟的烈度异常区明显大于调查烈度,凹凸体位于地下2~8 km的震源模型则比较接近。烈度异常区产生的主要原因为盆地内体波和面波的叠加所致。凹凸体的深度不同,引起的盆地放大主频和倍数差异显著,凹凸体较浅的模型引起的盆地最深处的放大倍数约为凹凸体较深模型的2倍。

基于谱元法的板结构中导波传播机理与损伤识别

建立板结构的三维谱元法模型和结构-压电晶片耦合模型,对铝合金板中Lamb波的传播机理和与损伤作用规律进行研究。以单点激励力模型研究了板中Lamb波的频散关系,从理论上对所建立的模型进行了验证;基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下导波的传播规律;研究单一压电晶片、板中上下表面施加同相位或反相位激励电压的两个压电晶片三种情况下结构的响应;对板中传播Lamb波的幅值与传播距离的关系进行分析;采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的裂纹损伤,研究Lamb波与损伤的作用;结合试验分析,验证所仿真结果结论的正确性。相对二维谱元法模型,所建立的板结构三维谱元法模型能更真实地模拟结构中导波的激励与接收以及波的传播。

复合层合梁层裂损伤与超声导波的相互作用研究

基于谱有限元法(SFEM),建立了压电晶片驱动/传感与各向异性层状复合梁耦合的谱有限元模型,数值模拟研究了耦合系统超声导波的激发、传播特征,并分析了导波与损伤的相互作用。模型中复合梁采用铁木辛柯梁理论、压电晶片层采用欧拉伯努利梁理论,利用哈密顿原理得到梁/压电晶片的时域耦合运动控制方程和边界条件,通过快速傅里叶变换将耦合运动控制方程转换至频域可导出谱有限元模型。与有限元分析结果比较表明,所建模型可精确模拟复合梁中导波的传播且计算效率高。进而分析了导波和层裂损伤的相互作用,结果表明导波在缺陷处会产生反射,且反射信号到达压电传感器的时间和幅值与缺陷的位置及长度有关。

基于Legendre多项式的双压电层合板三维压电谱元法模拟

谱单元作为一种高阶单元具有计算效率高和精度高的特点。本文在基于Legendre正交多项式的三维谱单元基础上提出了三维压电谱单元模型,用于压电层合板静力和动力性能模拟研究。压电层合板结构中的位移和电势自由度均离散到三维压电谱单元Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)配置节点上,并且未对电势沿压电层厚度方向上的变化做任何假定。通过提高谱单元中沿压电层合板厚度方向上的形函数阶数的方法,来削弱三维谱单元在模拟薄板结构中出现的剪切闭锁现象。为验证单元的计算精度,取双压电层合板结构进行静力和动力行为模拟验证,并将计算结果与现有文献中的其它单元模型及有限元结果进行对比。结果表明,压电谱单元可有效模拟压电层合板的静力和动力行为,且提高谱单元形函数阶数可提高数值模拟精度。

逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟

近断层地震动对近场区域会造成严重的地震灾害,尤其区域内存在沉积地形时会进一步加重灾害。目前,针对释放能量更大、破坏力更强的逆冲断层地震作用下沉积盆地的地震动响应研究还未见报道。本文即采用谱元法,研究了动力学逆断层地震作用下的三维沉积盆地的动力响应。文中以椭球形沉积盆地为例,对其逆断层地震动响应特性进行了分析,并探讨了改变内外介质波速比和沉积厚度时沉积盆地内部观测点地震动时程和峰值变化规律。研究表明:①沉积内外介质波速比对沉积盆地的地震动影响显著,当沉积内部介质波速比降低时,盆地内部地表的峰值响应增大,地震动持续时间明显延长,尤其是位于盆地中心加速度峰值放大2.08倍,持时延长1.97倍;②沉积盆地厚度同样对其地震动响应产生影响,当沉积厚度增加时盆地中心位置地震动响应减小,加速度峰值缩小约0.64倍,而盆地边缘区域的地震动响应明显增大,峰值放大约1.35倍。

流体载荷对水下自由阻尼板阻尼损耗因子的影响

结构的阻尼损耗因子是潜艇降低水下辐射噪声的重要参数。为此,采用谱有限元法以计算流体载荷作用下的自由阻尼板的结构损耗因子,探讨辐射损耗因子同功率转换系数间的关系;然后使用谱有限元法比较了含流体和不含流体的自由阻尼板的结构损耗因子的差异,使用能量法对相关计算结果进行验证;最后使用三维模型对流体载荷作用下的自由阻尼板的功率转换系数进行了计算,进而分析功率转换系数同阻尼层杨氏模量、阻尼层厚度、阻尼层材料损耗因子等参数的关系。研究发现:在低于第二阶弯曲波产生频率的频段范围内,无流体时的损耗因子小于有流体的自由阻尼板;从频段平均的角度来看,功率转换系数在低频存在较大峰值,在高频变化较为平缓且数值较小;实际潜艇在流体载荷下主要通过改变结构的阻尼来改变其辐射的阻尼损耗因子。分析结果对于潜艇结构阻尼的优化设计有参考价值。

基于切比雪夫谱元模型的成层场地地震反应分析

将切比雪夫谱元模型应用于成层场地的一维波动分析,发展了一种具有高阶数值格式的场地地震反应时域分析方法。通过谱单元离散基岩和覆盖土体,建立各个单元的波动方程,并在基岩内设置透射人工边界,模拟底部无限域对内域波动的影响;利用切比雪夫正交多项式构造高阶单元位移模式,得到空间离散后的场地节点运动方程;利用中心差分原理,结合人工边界的数值格式,推导了一种稳定的时域积分数值方案。最后通过2个算例阐释了该方法在场地地震反应分析中的应用,并与传统方法进行了对比分析。数值试验表明,该方法具有高精度特性,在使用较少节点的条件下仍能得到较为可靠的计算结果,可显著地提高场地地震反应分析的计算效率。

几何精确的二维动态压电梁有限元格式

在几何精确梁理论的基础上,通过引入压电材料的力-电耦合效应,建立了一种几何精确的动态二维压电层合梁有限元格式。通过对这种几何精确有限元格式的分析和实现,得到了一个分析在空间做大尺度运动的压电柔性梁结构的方法。最后通过几个数值算例验证了这种格式的正确性,并且给出了这种方法在分析压电结构时的可能用途。

基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。

基于时域谱单元的三维压电耦合结构波传播分析

针对压电元件在结构健康监测领域的广泛应用,推导了一种三维压电耦合时域谱单元。考虑压电元件用作驱动器与传感器时两种不同的工况,分别用该谱单元方法和传统有限元法计算了弹性导波在压电耦合结构中的传播行为,以验证该方法的精度和效率;进一步开展了结构弹性波传播实验,实验验证了该方法的有效性。结果表明:相较于传统有限元法,在波传播问题中,谱单元方法能够大大降低计算规模,提高运算速度;在模拟弹性导波的A0模式时,谱单元方法能够快速收敛到精确解;与实验结果的比较进一步验证了该方法在三维压电耦合结构波传播问题模拟中的有效性。

深海三维海底山地形对甚低频声场的影响

复杂海域海底地形的变化对海洋声传播有着重要影响,研究海底山和弹性海底共同作用下的声传播特性可以为水声技术提供理论基础。本文利用三维谱元法进行声传播数值模拟,从多途结构、界面波传播特性、三维效应等方面分析了该复杂海洋环境下的甚低频声场特性。仿真结果表明:海底山地形变化会引起传播过程中声信号的耦合转化从而激发深海海底界面波;影区内海底界面波相对能量最强,随着与界面距离的增加,界面波幅度呈指数衰减,而其他途径信号在一个波长内幅度几乎不变;海底山环境下的声传播会产生复杂的三维水平折射与散射现象,随着接收深度的增加地形变化引起的水平多途会逐渐增加。

基于谱元法的二维大地电磁数值模拟

谱元法(SEM)是基于有限元发展起来的一种数值模拟方法,具备有限元法处理复杂结构的几何灵活性和谱方法的高精度和指数收敛性,将其用于数值模拟计算比传统高阶有限元减少了内存需求和CPU时间。为了提高大地电磁数值模拟的精度和效率,基于Galerkin加权余量法,采用Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)正交多项式作为插值基函数,用Intel的Pardiso求解器直接求解线性方程组得到电磁场分布,实现了大地电磁(MT)二维谱元法数值模拟。给出的层状模型和COMMEMI 2D-1模型的数值算例验证了谱元算法和所编写程序的可靠性和稳定性。

湍流边界层中三维山丘地形风场大涡模拟

利用谐波合成法生成粗网格的脉动风速时程,通过双线性插值得到入口节点时程数据,考虑时程互相关性对时程进行修正得到大涡模拟湍流入口。采用谱元法对两种不同坡度的三维山丘地形进行大涡数值模拟,将结果与风洞试验及有限体积法数值模拟进行对比。结果表明:大涡模拟能较准确地预测山丘地形的风场及湍流特性;与有限体积法相比,谱元法的计算效率更高,在复杂山地地形的风场预测上有较好的应用前景。

考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时-频放大特征

基于三维谱元法模拟了三维沉积盆地模型在点源作用下的地震动响应,通过分析地表速度峰值、放大系数以及特征频率处的谱比分布,研究了不同阻抗比(IR)下盆地的地震动放大特征。结果表明:1)地震动峰值并非随阻抗比的增加而单调递减,且最强烈地震动位置均随阻抗比的减小而向盆地内部移动。2)地震动放大系数与峰值分布总体一致,IR在0.08~0.44的范围内,盆地地表地震动幅值可达基岩半空间地震动幅值的3.68倍。但小阻抗比时三维盆地地震效应会引起某些分量上放大系数的显著不同的分布特征。3)最大放大频率随阻抗比而变化,IR=0.26~0.33时的主要放大频率为IR=0.08时的3倍。4)三维盆地地震效应、阻抗比和一维等效自振频率共同决定了盆地地震动的时-频域放大特征。比较而言,阻抗比较小时更应考虑三维盆地的地震效应。

基于谱元法的三维盆地-子盆地共振初步研究

本文基于谱元法,模拟三种深度的点震源下,四种倾角的三维单一小盆地模型和盆地-子盆地模型的地震动,通过盆地模型和基岩半空间模型的傅氏谱比分析三维盆地-子盆地模型的共振频率和放大特性。结果表明:(1)盆地-子盆地模型下,外部大盆地的存在导致子盆地共振频率下降约5%,盆地倾角的增大导致子盆地的共振频率略微减小。三维子盆地的共振频率约为二维模型的1.5倍左右。(2)子盆地模型相对于基岩半空间的放大倍数随着盆地形状比降低而增加。形状比由0.88降低至0.5,子盆地的放大系数增大1.3-1.8倍左右。(3)盆地-子盆地模型相对于单一小盆地模型的放大随震源深度的增加而降低,震源深度由2 km增加到18 km,由2.3降至1.3。

2018年两次M_(s)5.0地震中通海盆地强震观测台阵地震动模拟

2018年两次M_(s)5.0地震中,通海盆地强震动观测台阵获得了4个地表台站和1个井下台记录。基于钻孔资料和通海盆地新生界厚度模型,建立了通过两次地震震源和盆地的二维模型。基于二维谱元法,采用点源模型模拟了两次地震中强震观测台阵0.05~3 Hz速度记录,分析了台阵所处的盆地东北边缘体波和面波的传播过程。研究表明:对于观测台阵绝大部分记录,特别是速度峰值较大的记录,模拟和观测记录直达S波及盆地边缘发育的Rayleigh面波波形和幅值吻合较好。对于盆地深度100 m左右的3号和4号地表台,由于模型中盆地横向不均匀性的不精确及未考虑三维地盆结构的影响,S波和Rayleigh面波的吻合程度有所下降。从模拟和观测记录可见,入射体波在盆地东北部转化的Rayleigh面波较强,该面波包含频散显著、传播速度在150~350 m/s之间的基阶Rayleigh面波,以及频散不明显、传播速度在700~800 m/s之间的一阶Rayleigh面波。

四方柱绕流的三维不稳定模态发展

采用了高精度谱单元法,对间距比L/D=2. 5,雷诺数为150~300的四方柱进行了三维数值模拟研究。并从水动力系数、瞬态流型、能量曲线及三维涡结构等方面对四方柱的尾流特性及三维不稳定性模态的发展进行研究和分析。随着雷诺数的提高,尾流流型从反相位模式转变为同相位模式,对应的主导不稳定波数模态由波数5转变为波数4,该转变阶段主要发生在雷诺数为225左右,其特性充分体现在各雷诺数下的能量曲线及三维涡结构发展中。当间距比L/D=2. 5时,在雷诺数为150~300下并未出现mode A和mode B两种基本不稳定性,而主导波数5和波数4模态的特性均属于第三种基本不稳定性mode C。

频谱激电三维有限元正演研究

在忽略电磁效应的情况下引入Cole-Cole激电模型,实现了与地下介质物性分块连续变化特点相切合的复电阻率三维有限元正演模拟的方法。从异常复电位的边值问题出发,推导其变分问题,采取六面体剖分的有限元法,结合偶极-偶极装置得到地表复电阻率值,进而算出复电阻率各分量。利用一维滤波算法验证算法有效性,并给出两种典型地电模型在不同频率下的计算结果。结果表明利用各分量可以多角度有效地刻画地下复杂介质结构特征。