一维波动有限元模拟中透射边界的时域稳定条件

多次透射边界是近场波动数值模拟的一种重要人工边界条件,但其数值稳定性问题一直是致力于解决的关键问题,同时亦是研究难点.本文提出了透射边界时域稳定条件的概念,从透射边界时域计算参数方面界定边界稳定性特征.基于空间插值模式讨论了波动有限元模拟中透射边界可能采用的数值计算格式,进而根据频域反射系数和反射放大失稳准则导出明确的透射边界时域稳定条件.定量地研究了一阶和高阶透射边界不同数值计算格式下人工波速取值和透射阶次对边界稳定性的影响,结果显示人工波速取值远超过介质物理波速或高阶边界选择了不恰当的数值计算格式是导致边界失稳的重要原因.将透射边界和经典的Clayton-Engquist边界、Higdon边界等统一归结为位移型人工边界范畴,其中透射边界具有可调人工波速和不同透射阶次的参数配置,概括了这类边界的基本特征.提出借鉴经典位移型人工边界的研究成果如箱型计算格式、纵横波速比限值、调整边界表达形式等,来改善透射边界时域稳定性的建议.     

弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法

针对地震波数值模拟中因计算区域有界而产生的人工边界反射问题,提出了一种弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法.在所研究的有界计算区域周围加入合适的吸收层,使得吸收层内的地震波随传播距离指数衰减而达到吸收边界反射的目的.利用傅里叶变换求得无界空间该波动方程的解;引入衰减函数构建有界空间相应的辅助方程,合理地选择衰减函数使得计算区域内辅助方程的解为原方程的解,而边界吸收层内的解呈指数衰减;运用有限差分法在均匀介质和均匀层状介质中求解弥散黏滞性波动方程,采用该方法对边界进行处理并与未加边界处理的波场快照和地震记录进行对比.实验结果表明,所提方法处理后的波场快照几乎无边界反射波存在,在空间位置为x=147 m、z=747 m的地震记录中,0.5s处边界反射波的振幅趋于0.所提方法也适用于声波方程和Stokes方程.     

凹面体散射近场的有限元—人工透射边界解法

采用有限元－人工透射边界法求出平面波在无限长圆柱上的散射近场,并与解析解进行比较,进而对几种凹面体电磁波散射近场求解。实际应用表明该方法具有图象清楚,过程简单,适应性强等优点,可有效解决分层介质,非均匀介质中各种复杂的散射问题,亦可广泛应用于声波等其他类波的散射问题。     

舰船多层衰波媒质的振动传递矩阵模型

舰船多层衰波媒质隔振技术是一种基于新型机理的隔振技术。针对其在振动传递效率影响中的静力学问题,通过分析结构物振动能量表征方式并采用声学边界条件,建立振动波斜入射多层衰波媒质时的声强二维传递矩阵模型。推导出声强透射、反射系数。通过专门的验证性实验,证明了多层衰波媒质隔振技术高效的实施效果。同时将二维传递矩阵模型理论计算值与文献中的计算结果进行比较,对比结果验证了模型计算的准确性,说明利用该模型从理论上考察多层媒质的衰波隔振效率是合适的。     

无限域中波传播问题的数值计算模拟

论述了标量波和矢量波在无限域中传播所涉及的有关数值计算模拟问题.根据有限元方法所固有的特点,无限域中波传播问题近域部分的几何复杂性和介质材料多变性均可采用有限元模拟.为了避免在近域与远域的分界面处发生波的反射与折射,需要在该分界面处施加一些特殊的处理方法.对于波辐射问题,可在近域与远域的分界面处施加所谓的波吸收边界.而对于波散射问题,可在近域与远域的分界面处使用动力无穷元将入射波从近域传播到远域.为了演示如何应用这两种不同方法模拟远域的影响,不仅通过考虑无限域中的标量波辐射问题推导了高阶精度波吸收边界的数学表达式,而且还通过考虑无限域中的矢量波散射问题推导了二维动力无穷元的有关计算公式.运用有限元与动力无穷元耦合方法,研究了不同地形条件对河谷表面自由场分布的影响.     

基于ABAQUS的三维粘弹性边界单元及地震动输入方法研究

基于大型通用有限元软件ABAQUS,利用FORTRAN语言编写了适用于粘弹性人工边界的外源波动输入子程序SDAB.FOR.该子程序包含粘弹性边界和加载两部分,粘弹性边界通过子程序UEL结合隐式积分算法定义粘弹性边界单元对整个系统的雅克比矩阵贡献来实现;人工边界上的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场,地震波作用于人工边界的自由场荷载可由设计地震动位移时程和速度时程统一表达,利用描述法向荷载和切向荷载的加载子程序DSLOAD、UTRACLOAD实现,从而可方便实现地震动的有效输入,避免了单独求解自由场.将考虑粘弹性边界条件的外源波动输入和内源地震动输入方法分别应用于某高拱坝的动力响应分析,并与常规无质量地基模型计算结果进行了对比,结果表明,考虑地基辐射阻尼的两种地震动输入方法均会显著降低结构的动力响应,其中采用外源波动输入方法的降幅更大.     

低应变动测桩身应力波衰减规律及其应用

针对桩基低应变动测中应力波在桩身不连续界面产生反射的同时也会产生透射衰减,同时桩周土轴向阻尼作用也会进一步引起应力波的衰减,文章探讨了考虑桩土衰减系数和桩身不连续界面的透射系数、反射系数的低应变动测的桩身应力波衰减规律,并根据该规律,实现对桩基缺陷程度的量化分析.通过模型桩验证该方法是可行的.     

人工边界法在土石坝动力分析中的应用

在研究各种动力人工边界的基础上根据地震波的不同传播特性,针对土石坝－地基系统,提出：对地基的底边界和侧边界分别施加粘性边界和叠加边界,以消除或减小常规刚性边界上波的反射对动力分析成果的影响,使土石坝动力分析成果更为可靠合理,在应用叠加边界时,通过引入常速度初值的更新而将波的传播限制在较小的边界区域内,使得结构系统的主区域仍能应用非线性有限元方法。这样的处理使得叠加边界方法能够应用于非线性问题的边界     

声吸收边界附近圆柱壳自振特性分析

结合波传播法和虚源法,提出了分析声吸收边界附近圆柱壳的固有振动特性的解析方法,并考虑了声吸收边界的影响.通过与有限元仿真方法进行对比分析,验证了方法的有效性.数值计算表明:与无限域中圆柱壳固有振动特性相比较,当圆柱壳靠近声吸收边界时,圆柱壳模态频率将明显减小;声吸收边界对圆柱壳模态频率特性的影响随着壳体与边界之间距离的增大而逐渐减小,当壳体与边界之间间距大于5倍半径时,声吸收边界的影响可以忽略.此外,当圆柱壳靠近声吸收边界时,边界的声反射系数对耦合系统模态频率特性有显著影响.     

边界应力对石墨烯翘曲的影响

对于边界应力引起的石墨烯薄膜边界翘曲问题,分别建立了理想边界模型和真实边界模型来分析边界尺寸对翘曲形貌的影响。通过建立弹性薄壳模型,将边界处理成只具有面积而没有几何尺寸的理想梁模型以及具有真实尺寸的真实边界壳模型,然后进行理论分析来确定石墨烯薄膜边界翘曲时的尺度关系(即翘曲波形的波长、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值)。理论分析发现,边界宽度的变化对石墨烯薄膜的能量、翘曲幅值及腹向衰减尺度的影响显著,且当边界宽度为0.1 nm时,总应变能有最小极值点出现在波长为7 nm左右,该发现与原子模拟研究所得结果基本一致;同时发现,石墨烯翘曲幅值在边界宽度为0.1 nm时幅值达到最大,腹向衰减尺度随边界宽度在边界宽度为0.1 nm时衰减得最快。     

源造波法在三维完全非线性数值波浪水槽中的应用

为消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,基于时域高阶边界元方法建立三维完全非线性数值波浪水槽模型:利用源造波法产生入射波浪,采用人工阻尼层技术消除波浪反射及二次反射;建立水槽的格林函数并应用于整个计算域,消除水槽两侧壁和底面的积分,减少了计算量.利用所建模型分别对规则波和不规则波的数值实验表明,数值结果与理论解吻合良好,且在出流边界和入射边界均无反射现象.     

有限元波动模拟中傍轴近似透射边界

有限元波动模拟中傍轴近似透射边界张剑锋（大连理工大学工程力学系１１６０２４）关键词：地震波；有限元法／傍轴近似；人工边界分类号：Ｏ２４２．２１；Ｐ３１５．３实际地震波是在半无限域中传播，但有限元有限差分等数值方法只能在有限尺寸模型上求解；因此数值模拟...     

变人工黏性的一维van der Waals流体模型稳态解的分析与相关计算

气液流体相变模型解的性态复杂,通常引进常系数的人工黏性以便于分析与计算。对人工黏性系数为比容函数的一维van der Waals等温流体相变在Lagrange坐标下的周期初边值问题进行了研究,分析了其稳态解的性态,给出了只存在平凡解以及存在非平凡解且易于判定的充分条件,并进行了相关计算,同时也对初边值问题进行了计算。计算结果表明,依赖于比容的人工黏性系数抑制相变区解震荡的作用与常数人工黏性系数类似。     

完全匹配层吸收边界条件的研究

边界反射是数值模拟中的一个关键问题。构建完全匹配层(PML)吸收边界条件是消除边界反射的理想方法之一。此方法是在研究区域的边界上加入吸收层,使边界上传入吸收层的波随传播距离按指数规律衰减,不产生任何反射,达到消除边界反射的目的。首先给出了二维声波方程完全匹配层的公式,然后通过地面地震模型和井间地震模型数值算例与常规吸收边界条件进行了比较。结果表明,PML边界条件具有吸收更干净、相位对应关系好且能够吸收各种角度的边界反射等优点,从而验证了完全匹配层吸收效果的优越性。     

Mixed Finite Element Method and Higher-Order Local Artificial Boundary Conditions for Exterior 3-D Poisson Equation

IntroductionAnalysis of partial differential equations on anunbounded domain often requires artificialboundaries to limit the problem to a boundedcomputational domain.Such situations can arise inmany applications such as geophysical calculationsinvolving …     

电磁波在介质界面上反射、折射公式的补充证明

本文对电磁波在介质界面上的反射定律、折射定律和费涅耳公式作以补充证明。     

基于波动方程的Ansys模型黏弹性边界条件研究

 研究了应用Ansys 有限元软件进行地震波场数值模拟的边界条件问题,提出一种基于波动方程的Ansys 模型黏弹性边界条件构建方法。由波动方程推导并建立了黏弹性边界条件的理论基础,在Ansys 模型中选用带阻尼的Combin14 单元作为加载有限元,采用APDL 代码成功地将黏弹性边界条件施加于Ansys 模型中。对模型进行实例计算,在模型边界设置虚拟检波器,加载Ricker 子波震源,提取计算后的波场快照和时间记录进行对比,结果显示,所施加的黏弹性边界条件可以很好地吸收边界反射波,表明了该方法所构建的Ansys 模型黏弹性边界条件的有效性。     

激波诱导的层流边界层方程的近似解析解

研究了由激波诱导的边界层问题,利用Adomian解析分解方法对不同速度比例参数给出了问题的级数形式的近似解析解和相应的壁摩擦因数近似值,该近似解析解具有快速收敛性和易于计算性。最后对近似解所推出结果和所得壁摩擦因数与文献中的数值解进行了比较验证,证实了提出的解析近似方法的准确性和可靠性,所提出的思想方法还可用于解决其它科学和工程技术问题。     

三维Helmholtz方程外边值问题的虚边界元法

基于位势的延拓,推导出三维虚边界积分方程.通过选择不同的虚边界,避免相应内问题的特征值与波数重合,从而保证解的唯一性.数值算例验证了该方法求解任意波数三维Helmholtz方程外边值问题的有效性.     

频率域2.5维电磁测深有限元模拟中的吸收边界条件

针对频率域2.5维电磁测深问题,借鉴地震波模拟中吸收边界的处理方法,将波数域电磁场方程分解成两个传播方向相反的单程波方程,以沿边界外法向衰减的单程波方程作为该边界上的吸收边界条件.给出了全吸收边界条件的构造方法,并导出了15°吸收边界的具体形式.数值计算结果表明,该吸收边界条件使边界反射得到了有效压制,在相同的计算量下计算精度显著提高.