近场波动的数值模拟

本文评述了近年来波源（或散射体）及其邻域内波动数值模拟的主要研究结果,着重讨论了人工边界条件这一关键问题的研究进展     

局部人工边界稳定性的一种分析方法

采用时域局部人工边界同有限元或有限差分相结合的方法分析无界域中的波动问题时可能出现由边界引起的数值失稳现象．本文提出一种分析局部人工边界稳定性的实用方法．该方法从时域逐步积分格式出发,考虑了边界节点运动和内部节点运动的耦合以及离散化的影响,可以给出局部人工边界在多维波动数值模拟中的稳定性近似准则．文中对多次透射边界在一维及二维出平面波动模拟中稳定性的分析结果,表明了该方法的合理性     

波动数值模拟中的外推型人工边界条件

当前波动数值模拟中的人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)数量繁多, 但用于串联它们的理论及公式体系还需进一步完善, 以便在复杂波动问题模拟中更准确地选取ABC并评估其性能. 本工作发展一种外推型人工边界条件理论, 将一系列利用临近边界一组节点在前若干时刻的运动来外推人工边界节点运动的经典ABC纳入一个体系. 这些ABC包括廖氏透射边界(multi-transmittig formula, MTF)、旁轴近似边界、Higdon边界以及Givoli-Neta、Hagstrom-Warburton、AWWE辅助变量边界等. 针对现有边界公式存在的不足, 分别提出一种引入多个人工波速进行优化的MTF公式(离散公式)和一种定义在统一局部坐标之上并采用多个人工波速作为控制参数的统一Higdon边界公式(连续公式或微分方程形式ABC), 作为外推型ABC的两个基本公式. 这二者是最简单实用的外推型ABC, 其他同类ABC大多可以由它们转化得到, 或者通过某种等价的中间形式与之相关联. 数值试验证实了理论的正确性, 并初步展示了多人工波速ABC比传统单一人工波速ABC所具有的优势. 研究结果不仅具有重要理论价值, 还为更好地解决具有差异较大的多种物理波速的复杂波动, 如大纵横波速比的软土介质中波动或海洋声学、 气象学中的频散波动等的ABC问题提供了实用方法.     

基于动态人工波速的透射边界

人工边界处理是近场地震波动数值模拟的关键问题, 其中透射边界(multi-transmitting formula, MTF)是一种应用较为广泛的人工边界方法, 但它也存在计算精度与稳定性相互冲突的问题. 为提高稳定性较好的低阶边界的模拟精度, 发展出一种动态人工波速透射边界, 能够适应复杂波动中外行波透射角随时间大幅度变化的情形, 并探讨了动态人工波速识别这一关键问题. 通过在当前时刻波场中沿人工边界附近划定观察窗口, 并在一段时间之前某时刻波场中构建出一组与边界法线夹角在−90° ~ 90°范围变化的筛选窗口, 设计出一种对这两个时刻局部窗口中的波场进行比对的图像处理方法来识别外行波的透射角度. 将识别得到的透射角度用于动态更新透射边界的人工波速, 实现基于动态人工波速透射边界的波动模拟. 在SH波动数值模拟中分别以单一脉冲波的简单波动和多个平面波叠加的复杂波动为例, 证明所发展的动态人工波速透射边界对于不同透射角的波动成分均具有较好的适应性, 模拟精度显著优于采用经验固定人工波速的传统透射边界. 该方法为发展和完善高精度且计算稳定的人工边界提供了一个全新的研究思路.     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

边界变换法求边界近傍的应力

本文介绍的边界变换法,可以避免边界层效应,解决边界近傍的应力(或位移)的准确计算问题.     

平面波任意角度入射时波动散射问题输入的一种实现方法

对于半无限域中波动散射问题的数值分析,人工边界条件的实现及波动输入是其中的关键问题之一。在波动输入的自由场分析中,以往研究大多考虑垂直入射或入射方向平行于含纵坐标轴的某一坐标面,难以真实地反映地震动的真三维效应,局限了其应用范围。论文文考虑空间任一角度入射的平面波,通过传递矩阵方法和坐标系变换,得到三维空间的自由场,结合集中质量显式有限元方法,实现了透射边界和粘弹性人工边界的波动输入以及三维波动散射的数值模拟,通过自编的程序及算例,验证了该方法的有效性,对比分析了空间入射角度对波动散射的影响。     

采用黏弹性人工边界时显式算法稳定性条件

黏弹性人工边界是处理无限域波动问题常用的数值模拟方法。采用显式时域逐步积分算法进行计算时,受黏弹性人工边界的阻尼、刚度等影响,人工边界区的稳定性比内部计算域的更严格,尚无明确、实用的稳定性判别准则,这限制了黏弹性人工边界在显式动力分析中的应用。针对二维黏弹性人工边界,利用基于局部子系统的稳定性分析方法和基于传递矩阵谱半径的稳定性判别准则,给出了可代表整体模型局部特征的不同边界子系统的稳定性条件解析解。通过对比分析不同计算区域的稳定性条件及其影响因素,证明了整体模型的稳定性由角点子系统控制。在此基础上,获得了含黏弹性人工边界的整体模型在显示动力计算中的统一稳定性判别准则和简化实用计算方法。在实际应用中,令积分时间步长满足稳定性条件,即可顺利完成整体模型的动力计算。以上研究可为将黏弹性人工边界应用于显式动力计算时积分时间步长的合理选取提供参考。     

局部透射边界和叠加边界的精度分析与比较

本文研究了出平面和平面内波动在局部透射边界和叠加边界的反射系数,在研究中考虑了时空离散化的影响及反射波本身对反射系数的影响．采用一维有限元离散模型讨论了两种边界的阶数对反射系数的影响．通过比较这两种边界的反射系数得出以下结论：局部透射边界在有限元波动模拟中的精度高于叠加边界,且其优越性随着边界阶数的增加而提高。     

波传播计算中的人工边界条件

对无限介质中波传播进行有界区域近似计算时,需要提出人工边界条件.本文分别就连续介质和离散晶格简要介绍一些典型的人工边界条件,包括精确人工边界条件和局部人工边界条件.     

Global structure stability of impact-induced tensile waves in phase-transforming materials

The global structure stability of the impact-induced tensile waves mentioned by Huang （Huang, S. J. Impact-induced tensile waves in a kind of phase-transforming materials. IMA Journal of Applied Mathematics, 76, 847-858 （2011）） is considered. By introducing Riemann invariants, the governing equations of motion are reduced into a 2 ~ 2 diagonally strictly hyperbolic system. Then, with the aid of the theory on the typical free boundary problem and maximally dissipative kinetics, the global structure stability of the impact-induced tensile waves propagating in a phase-transforming material is proved.     

线性非局部弹性理论的修正

本文通过考虑局部化残余力的影响对线性非局部弹性理论进行了修正，由修正后的理论所导出的应力边界条件包含了物体微观结构的长程力的作用，这个结果不仅解释了在裂纹混合边界值问题中线性非局部弹性理论方程的解在常应力边界条件下不存在的问题，而且可以自然地得到裂纹尖端的Ｂａｒｅｎｂｌａｔｔ分子内聚力模型。     

多层波导中矢量波动的时域人工边界条件

本文提出了一种近似的时域人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)用来模拟含有瑞利阻尼的线弹性多层波导平面内的矢量波动,该ABC是时域稳定的, 且能与有限元法无缝耦合. 建立ABC的思路是,首先将多层波导的矢量波动方程简化为$x$方向和$y$方向解耦的两个标量波动方程;其次基于比例边界有限元法得到无限域$x$方向和$y$方向模态空间下半离散的频域动力刚度,再用矩阵连分式近似表示$x$方向和$y$方向的频域动力刚度;最后通过辅助变量技术将连分式时域化,从而分别得到人工边界上$x$方向和$y$方向的时域ABC.方法中影响计算精度和计算效率的参数有无限域的模态数$n$、连分式阶数$J$和人工边界远离兴趣域的距离$L$. 数值算例表明,仅需将被载荷激起的无限域的模态数$n$参与计算, 一般可以取$J$=3,$L$的取值基本与地下结构尺寸无关, 它与土层的总层高$H$成正比关系,关系系数与土层的材料参数有关.