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井地电法是深部地质矿产勘查的重要方法之一,研究高效率、高精度、适用于起伏地形等复杂条件下的正演模拟算法具有理论和实际意义.本文研究了点源场井地电位测量的三维有限元正演模拟,采用与井轴一致倾斜的计算区域,使剖分单元随地形起伏,用预处理共轭梯度法求解线性方程组,利用行压缩存储和改进的行压缩存储方式来存储刚度矩阵和预处理矩阵,实现了起伏地形和倾斜井情形下的正演计算.此外,本文利用仿射坐标变换技术,给出了平行五面体单元精确的单元积分公式,这种处理技术同样可推广应用于其他平行多面体单元的单元分析,相比于采用等参变换和高斯数值积分,能极大地提高计算效率.文中构建了一些模型算例,其计算结果验证了程序的可靠性和高效性. 相似文献
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三角网格有限元法具有网格剖分的灵活性,能有效模拟地震波在复杂介质中的传播.但传统有限元法用于地震波场模拟时计算效率较低,消耗较大计算资源.本文采用改进的核矩阵存储(IKMS)策略以提高有限元法的计算效率,该方法不用组合总体刚度矩阵,且相比于常规有限元法节省成倍的内存.对于时间离散,将有限元离散后的地震波运动方程变换至Hamilton体系,在显式二阶辛Runge-Kutta-Nystr9m(RKN)格式的基础之上加入额外空间离散算子构造修正辛差分格式,通过Taylor展开式得到具有四阶时间精度时间格式,且辛系数全为正数.本文从理论上分析了时空改进方法相比传统辛-有限元方法在频散压制、稳定性提升等方面的优势.数值算例进一步证实本方法具有内存消耗少、稳定性强和数值频散弱等优点. 相似文献
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波动方程数值模拟是深入研究地震波传播规律的有效方法.有限差分法因其方法简单、精度高而得到了广泛的应用.但其缺点是不能准确模拟具有复杂几何形态的物性界面.因而当遇到起伏地表或复杂构造时，求解精度低.为了准确模拟起伏地形、复杂构造和复杂介质条件下的地震波场，本文采用有限元法模拟二维声波方程.用三角形单元模拟地形和速度界面；把单元内的场和波速均看作单元上的线性函数，以适应复杂介质压制边角散射；采用吸收边界条件去除来自截断边界上的反射；采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵使得显式时间递推无需对矩阵求逆，提高了计算效率.对模型的计算表明该方法正确有效. 相似文献
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基于稳定电流场的基本方程、三维区域满足的边值问题以及相应的变分问题，研究了三维起伏地形条件下电阻率的有限单元数值模拟算法. 离散积分区域时，以三棱柱为最小研究单元，推导了含有地形特征信息的三线性插值型函数以及单元刚度矩阵. 采用变带宽、一维数组方式只存储稀疏刚度矩阵中非零元素，能够节约内存. 利用Cholesky分解法只分解一次大型稀疏矩阵，通过回代可以求出方程组的全部解，当求解有多个供电点的测深问题时可以缩短计算时间. 模型计算表明，在水平层状介质模型上，三维计算结果与解析解或二维数值解十分吻合，计算精度满足误差要求. 在二维山脊上的二极剖面或三维山谷上的中间梯度剖面上，其三维计算结果与相应模型的土槽实验结果或边界元法计算结果也非常接近. 相似文献
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有限元法是复杂介质地震模拟的有力工具,它能比较客观地反映地震波的传播,比较细致地再现地震图像.但是,为了获得较精确的结果,有限元法模拟地震波的传播需要的网格点数多,具有计算量大和消耗内存多的缺点.针对上述缺点,本文对刚度矩阵采用压缩存储行(CSR)格式,以减少计算量并节省内存;采用集中质量矩阵得到对角的质量矩阵以提高有限元法(显式有限元)的计算效率;时间离散采用保能量的Newmark算法以提高有限元法的计算精度;采用变分形式(弱形式)的PML吸收边界条件对人工截断边界进行处理.通过与高精度的数值方法--谱元法的数值试验的对比表明,上述方法的引入可使有限元法在计算精度和计算效率方面均可取得比较显著的改进.为了获得相当的计算精度,相比于7阶谱元法,显式有限元法需要更精细的网格.然而,显式有限元法的计算速度比前者快近2倍,而内存需求仅为谱元法的1/4~1/6. 相似文献
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为了易于模拟野外复杂地形和地下任意形状地电体模型,将有限元单元网格设计为三角单元;并考虑到野外实际勘探中,地球介质的电性参数均是连续变化的情况,单元内的场值和电性参数被设计为双线性变化;推导出二维起伏地形条件下大地电磁法有限元数值模拟算法;根据单元节点主场值和线性插值形函数间的关系,计算出单元节点的辅助场值;在二维起伏地形情况下,定义TE、TM模式视电阻率和阻抗相位.4个模型的计算的结果与解析法的均方根误差小于1%,地形模拟与前人的计算结果相符,模拟倾斜界面异常体,能有效的反映出其异常形态. 相似文献
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连续梁桥的一种传递矩阵—有限元方法 总被引：1，自引：0，他引：1
结构分析的传递矩阵法占用内存贮空间小，运算简便，有限元法划分单元灵活，计算与处理方式统一，适应范围广泛，本文论述了这两种方法存在可相互转化的内部关系，采用子结构思想，提出了将这两种方法有效结合构成一种传递矩阵－有限元方法，一座桥梁结构计算示例表明：该方法不仅计算占用内存小，而且划分单元小，计算与处理方式统一。 相似文献
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有限差分法和有限单元法在大地电磁场数值模拟中已经得到了广泛的应用,但其数值结果的精度在很大程度上依赖于网格的离散程度.当模拟起伏地形、弯曲界面等复杂地电模型大地电磁场响应时,常常需要花费大量的时间以便得到较合理的离散网格.无网格局部Petrov-Galerkin法(MLPG)不同于有限差分法和有限元法,其形函数和权函数脱离了网格的束缚.本文详细推导了二维大地电磁场边值问题的弱式形式,并将其离散为局部积分域内的表达形式.通过模拟二维海洋地电模型大地电磁场响应,并与结构网格有限元结果进行对比,验证了本文算法和程序的正确性及精度.设计了一个含有弯曲界面的二维地电模型,讨论了不同离散网格对MLPG无网格法模拟结果的影响,并与结构有限元法结果进行了比较,结果表明MLPG无网格法模拟结果受离散网格影响较小.最后利用MLPG无网格法计算了两个海洋起伏地形模型的大地电磁响应,讨论了海底起伏地形对大地电磁响应的影响. 相似文献
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基于相似性导出基础的动力刚度矩阵 总被引：2，自引：0，他引：2
详细论述了基于相似性导出基础动力刚度矩阵的思想，包括克隆算法、无限元方法、一致无穷小有限元法和标度有限元法。这些方法，仅对地基－基础界面进行有限元离散，使问题的空间维数减少一维；但是，它们不需要基本解就可以满足无穷远辐射条件，从而避免了奇异积分的计算，减少了计算工作量。 相似文献
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三角网格有限元法能够准确模拟复杂构造和复杂介质条件下的地震波场,数值频散和稳定性条件是地震波数值模拟中参数选择的主要依据.基于均匀的线性三角网格单元,根据结构刚度矩阵的组装原理以及平面波理论,推导了集中质量矩阵下两种网格结构的声波频散函数以及稳定性条件,并对数值频散特性以及稳定性进行了详细研究:三角网格单元中波动的数值频散除了受到空间采样间隔、单元网格纵横比和波传播方向等常规因素的影响外,还受到网格布局的影响,过锐或过钝的三角单元会对波动数值频散产生不良的影响,不同类型的单元网格、单元纵横比对应着不同的稳定性条件,正三角单元中的波动具有较好的数值频散特性,其数值各向异性(频散随波传播方向的变化)效应最弱,稳定性条件也较为宽松.最后通过数值模拟直观地验证了以上分析结果,为有限元正演三角网格的剖分和参数的设置提供一定的理论依据. 相似文献
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在复杂山地和复杂海底条件下,地表和海底的剧烈起伏对地震波数值模拟提出了更高的要求.常规有限差分法采用矩形网格对模型进行网格剖分,由于矩形网格自身的限制,起伏地表或起伏海底只能由一系列阶梯状折线代替,从而引起人为虚假绕射波.此外,在模拟液-固界面的反射波时,如果界面与网格线不一致,则需要更密的网格才能得到精确的结果.为了解决上述问题,本文将自适应网格生成技术引入到起伏海底速度模型的网格剖分中,采用高阶仿真型有限差分法(MFD)对曲线坐标下的声波方程波进行了数值模拟.利用自适应网格生成技术对速度模型进行网格剖分不仅可以准确地描述模型边界,而且可以有效消除虚假绕射波.高阶仿真型有限差分法可以有效压制频散提高计算精度.模型试算结果表明,本文方法对复杂海底模型具有很好的适应性. 相似文献
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Elena Zhebel Sara Minisini Alexey Kononov Wim A. Mulder 《Geophysical Prospecting》2014,62(5):1111-1125
The finite‐difference method on rectangular meshes is widely used for time‐domain modelling of the wave equation. It is relatively easy to implement high‐order spatial discretization schemes and parallelization. Also, the method is computationally efficient. However, the use of finite elements on tetrahedral unstructured meshes is more accurate in complex geometries near sharp interfaces. We compared the standard eighth‐order finite‐difference method to fourth‐order continuous mass‐lumped finite elements in terms of accuracy and computational cost. The results show that, for simple models like a cube with constant density and velocity, the finite‐difference method outperforms the finite‐element method by at least an order of magnitude. Outside the application area of rectangular meshes, i.e., for a model with interior complexity and topography well described by tetrahedra, however, finite‐element methods are about two orders of magnitude faster than finite‐difference methods, for a given accuracy. 相似文献
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波动问题有限元离散后会引起数值误差, 数值频散的本质就是数值误差传播引起的非物理解. 数值频散不仅没有实际意义, 而且还会影响对真实波动现象的认识. 为厘清有限元三角网格中波动数值频散的影响因素, 本文推导了集中质量矩阵和一致质量矩阵的频散函数, 同时给出了组合质量矩阵的频散函数, 并对不同质量矩阵的数值频散进行了对比研究. 理论分析和数值计算结果表明: 有限元三角网格中波动的数值频散受网格布局、 波传播方向、 单元网格纵横比以及质量矩阵的影响; 一致质量矩阵的数值频散比集中质量矩阵更易受到波传播方向的影响; 不合理的三角网格单元会对数值相速度(数值频散)产生不良影响; 正三角网格中波动的数值频散几乎不受波传播方向的影响; 一致质量矩阵与集中质量矩阵的线性组合能够有效地压制数值频散. 相似文献
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在山区进行MT勘探时,用规则网格有限元方法模拟起伏地形会受到限制.本文采用非结构三角网格可以有效地模拟任意二维地质结构,如起伏地形、倾斜岩层和多尺度构造等.正演引入自适应有限元方法,其在网格剖分过程中能根据单元误差自动细化网格,保证了正演结果的精度.将自适应有限元与Occam算法结合,且引用并行处理技术提高正反演计算速度.通过对比两个理论模型,讨论了地形对MT正演响应的影响;其次进行了不同地电模型带地形反演展示了本文算法的正确性和适用性;最后将该方法应用于实测MT数据处理,证明了自适应非结构有限元方法是复杂地形下处理MT数据的有力工具. 相似文献
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The dynamic element method has been shown previously to provide a computational advantage over the ordinary finite element method for various beam elements. The Taylor expansions are computed here for the dynamic shape functions (two terms) and dynamic stiffness matrix (four terms) for the axisymmetric vibrations of an annular plate element. The complicated matrices which result are made more tractable by expressing them as power series in powers of the aspect ratio. The percentage error in the natural frequencies is then calculated using both the two- and the three-term dynamic stiffness matrix, demonstrating the increased accuracy for a given number of elements. 相似文献
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本文基于非结构网格实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演模拟.该算法采用完全非结构网格剖分,可以模拟任意起伏地形和复杂地电模型.为了避免场源的奇异性,采用一次场/二次场分解算法,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维解析公式得到.为了提高算法的精度和效率,采用对测点附近单元和异常体区域进行体积约束加密的方法,实现了非结构网格的局部加密.一、二维模型计算和分析表明,本文采用的局部加密方法能够明显地改善算法的精度,最大相对误差基本在1%以内.对三维模型计算及对比分析,说明了该算法对三维可控源电磁正演的实用性.复杂海底地形模型的正演模拟表明,海底地形对电磁场的影响很大,在进行海洋可控源电磁资料解释时,地形的影响有必要考虑在内. 相似文献
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《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》2003,23(4):249-253
A parallel soil–structure interaction (SSI) model is presented for applications on distributed computer systems. Substructring method is applied to the SSI system and a coupled finite–infinite element based parallel computer program is developed. In the SSI system, infinite elements are used to represent the soil which extends to infinity. In this case, a large finite element mesh is required to define the near field for reliable predictions. The resulting large-scale problems are solved on distributed computer systems in this study. The domain is represented by separated substructures and an interface. The number of substructures are determined by the available processors in the parallel platform. To avoid the formation of large interface equations, smaller interface equations are distributed to processors while substructure contributions are performed. This saves a lot of memory storage and computational effort. Direct solution techniques are used for the solution of interface and substructure equation systems. The program is investigated through some example problems. The example problems exposed the need for solving large-scale problems in order to reach better results. The results of the example problems demonstrated the benefits of the parallel SSI algorithm. 相似文献
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为研究网格间距对网格剪力墙抗震性能的影响，对两个竖肢中心距不同的小剪跨比网格剪力墙进行了拟静力试验及有限元分析。结果表明：横肢中心距相同、竖肢中心距分别为200 mm及300 mm的网格剪力墙破坏模式不同，竖肢中心距为200 mm的网格剪力墙下部和墙底角部混凝土破坏，破坏模式为剪压破坏；竖肢中心距为300 mm的网格剪力墙沿对角线主斜裂缝错动并产生滑移，破坏模式为剪拉破坏。两个试件的极限位移角均在1/100左右，竖肢中心距为300 mm的网格剪力墙刚度和承载力略大。有限元模拟结果与试验吻合良好，验证了模拟方法的有效性。提出了适用于不同间距网格墙的等效厚度计算方法，网格剪力墙可等效为实体剪力墙计算刚度和承载力。 相似文献
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Many popular groundwater modeling codes are based on the finite differences or finite volume method for orthogonal grids. In cases of complex subsurface geometries this type of grid either leads to coarse geometric representations or to extremely fine meshes. We use a coordinate transformation method (CTM) to circumvent this shortcoming. In computational fluid dynamics (CFD), this method has been applied successfully to the general Navier–Stokes equation. The method is based on tensor analysis and performs a transformation of a curvilinear into a rectangular unit grid, on which a modified formulation of the differential equations is applied. Therefore, it is not necessary to reformulate the code in total. We applied the CTM to an existing three-dimensional code (SHEMAT), a simulator for heat conduction and advection in porous media. The finite volume discretization scheme for the non-orthogonal, structured, hexahedral grid leads to a 19-point stencil and a correspondingly banded system matrix. The implementation is straightforward and it is possible to use some existing routines without modification. The accuracy of the modified code is demonstrated for single phase flow on a two-dimensional analytical solution for flow and heat transport. Additionally, a simple case of potential flow is shown for a two-dimensional grid which is increasingly deformed. The result reveals that the corresponding error increases only slightly. Finally, a thermal free-convection benchmark is discussed. The result shows, that the solution obtained with the new code is in good agreement with the ones obtained by other codes. 相似文献