网格剖分对电阻率曲线的影响

 有限元法作为一种高效的数值模拟方法,广泛用于地球物理的正演计算。网格剖分的合适与否是有限元求解的先决条件。在满足剖分区域大小一致,且满足边界条件,进行稀疏与加密网格比较的前提下,讨论了二维介质理想模型的网格剖分对大地电磁正演精度的影响。研究表明,在低频阶段,TE 和TM 两种极化模式从整体上看,粗网格比细网格模拟精度高,但是在近地表开始阶段,TM 模式下,粗网格模拟精度不及细网格;整体变化幅度粗网格比细网格缓和,曲线尾部粗网格与细网格波动幅度都较大,脱离了正常值。结果表明,正确的网格剖分能有效地提高电磁有限元正演的精度,且对后续反演同样有意义。     

基于有限元-无限元耦合的2.5D直流电阻率数值模拟

为了解决传统有限元截断边界所引起的问题,提出一种新的2.5D直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟方法。首先推导无限元2.5D单元映射函数,然后提出一种无限元形函数,将其与传统有限元相结合,取代传统的混合边界,使得电位在无限域内连续并在无限远处衰减为0 V,最终形成的刚度矩阵稀疏对称并与场源位置无关。研究结果表明:在相同的网格剖分下,有限元无限元耦合方法比传统有限元法能够在边界测点处得到更高的计算精度,能够在较小的计算范围内得到更优的计算结果,从而有利于减少节点数,提高计算速度;由于系数矩阵不随场源位置改变,有利于加速反演计算。     

基于Delaunay三角形的非结构化有限元GPR正演

介绍传统Bowyer-Watson三角网逐点插入法的原理与实现步骤,并将固定边界限制、Laplacian光顺、边压缩、边分裂、点插入等拓扑变换技术应用于网格剖分的优化;为了使数值解的误差在全域内接近于均匀分布,通过间隔函数法实现点源、线源等网格渐变控制,结合局部粗化或细化技术,建立高质量Delaunay三角形网格,实现自适应网格剖分。通过1个起伏地表与断层模型网格剖分实例验证非结构化网格对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的地电模型的适应性。根据GPR有限元波动方程,应用三角形剖分、线性插值的Galerkin有限单元法进行求解。建立1个复杂GPR地电模型,利用Delaunay三角形对该GPR地电模型进行自适应网格剖分。研究结果表明:非结构化网格对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的地电模型都具有良好的适应性;非结构化三角形网格剖分质量好,单元密度易控制,易于实现自适应有限元,能提高复杂模型正演精度。     

基于三角形剖分的复杂GPR模型有限元法正演模拟

针对基于矩形网格剖分的时域有限差分法(FDTD)和有限单元法(FEM),对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的模型适应性差的问题,从雷达波所满足的Maxwell方程出发,推导探地雷达(GPR)有限元波动方程,通过采用三角形网格剖分和线性插值基函数,在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,应用Galerkin有限单元法求解GPR波波动方程;同时为消除FEM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制来自截断边界处的反射波。然后,编制GPR有限元正演模拟的Matlab程序。应用该程序分别对起伏分界面、"V"字形2个复杂地电模型进行FEM正演模拟,得到基于三角形网格剖分的FEM正演模拟GPR剖面图,并把该正演模拟剖面图与常规的基于矩形剖分的FEM正演模拟剖面图进行对比,结果表明:基于三角形剖分的FEM对于复杂GPR模型的物性参数分界面拟合更好,其模拟所得的正演剖面与实际模型更相符,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译。     

预处理共轭梯度法在电磁正演中的应用

对于电磁场中的正演数值模拟,不论采取何种方法,最后都演变成求解一个规模庞大的线性方程组;而方程组的解法对数值计算的求解效率及精度起很大的决定作用。利用Pascal矩阵预处理共轭梯度法,克服了复线性方程组中系数矩阵病态特性和加快收敛速度,不但提高了正演计算速度和精度,而且保证了求解的数值稳定性及高效性。经粗细网格不同剖分方式验证,该算法可行有效。     

自然电场三维有限元正演模拟

有针对性地开展高精度数值模拟工作,解决现有的结构化网格剖分技术的误差非对称性问题,为精细反演解释提供支撑。首先对常规结构化网格剖分技术进行分析总结,并基于前人工作提出一种新的适用于起伏地形的三维结构化网格剖分技术,同时推导了四面体有限元基本方程,然后建立均匀半空间三维点源模型进行算法验证,最后建立渗流自然电场地电模型,探讨渗流走向以及起伏地形对地表自然电位分布的影响。数值结果表明,该剖分技术实现简单,能有效解决误差非对称性分布问题,且模拟精度高,对复杂模型适应性强。在自然电场渗流模型中,渗流方向上能观测到电位正异常,而正负地形分别会引起电位异常的减小与增大。数值结果可为自然电场法在工程与环境领域的数据反演解释提供良好的基础。     

三角网格参数化在反射地震走时层析成像中的应用

矩形网格参数化是反射地震走时层析成像中的传统参数化方式，然而这种参数化方式本身的缺点（如剖分的灵活性差，对速度界面的描述精度差）却在层析成像的正反演过程中产生了很多不利因素：正演模拟和层析反演时存储量大、计算量大、计算耗时久，层析反演的方程性态差、求解难度高等。鉴于矩形网格参数化层析成像的上述缺点，将三角网格参数化应用到反射地震走时层析成像中，研究发现三角网格参数化本身的优点（如剖分的灵活性强，对速度界面的描述精度高）在层析成像的正反演过程中产生了诸多有利因素，大大减少了网格的数目，在正演模拟和层析反演时大大减少了存储量、计算量和计算时间，并改善了层析反演的方程性态，降低了求解难度。因此，三角网格参数化与矩形网格参数化相比在反射地震走时层析成像中更有优越性，模型试验表明两种参数化方式得到的层析反演结果具有可比性。     

基于非结构化网格的2.5维时间域激发极化反演

针对我国西部山区起伏地形,提出通过Delaunay三角剖分生成非结构化三角网格,可以根据实际地形情况,较好地控制节点分布,从而降低初始模型的几何离散误差。在反演中对模型参数施加最小光滑和背景约束信息,从而提高反演的分辨率。通过在正演求解稀疏矩阵时采用稳定型双共轭梯度法和计算系数矩阵时利用电位互换等手段,可有效地提高反演计算速度。最后,为验证反演方法的有效性,编制了跨平台反演软件;并对2例地电模型和实测数据进行反演试算。计算结果表明:反演耗费时间少,仅迭代3次拟合差便趋于稳定,反演结果能较好地刻画异常体形态。     

组合网格法在搅拌摩擦焊接数值模拟中的应用

讨论组合网格法(Composite Grid Method,CGM)在有限元程序自动生成系统平台(Finite Element Program Generator,FEPG)上的具体实现.该算法在整个求解区域上采用粗细两套网格求解,不要求规则网格和粗细两套网格嵌套,两套网格单独剖分、互不影响,能处理复杂的问题.该算法用于实际工程计算的迭代次数少, 与常用的有限元方法所求得的解相符合,具有更加广泛的应用范围,符合科学和工程计算的实际要求.对搅拌摩擦焊接问题使用组合网格法进行数值模拟,取得了理想的仿真结果.     

交贯隧道边界元数值模拟中的网格剖分方法

分别分析了三维情况下隧道表面结构化和非结构化网格的生成原理.主要通过对隧道表面进行分块,采用映射方法先在平面内进行非结构化三角网格剖分,然后依据断面的拟合插值函数投影到几何体表面,形成隧道表面的非结构化三角网格剖分.在交贯隧道边界元数值模拟计算中实现了交贯隧道表面网格中交贯点的快速追踪查找,解决了交贯隧道表面交贯处的网格剖分衔接问题,并且通过在VB环境下的OpenGL编程,实现了网格剖分的可视化,并得到了符合边界元计算所需的网格单元节点数据.     

考虑转子运动的有限元分析前处理技术

提出了二维有限元分析中考虑转子运动时三角形单元的自动生成方法．采用该方法只需重新剖分气隙部分就可获得转子位置已变化了的整个求解区域的网格剖分,可以节省大量机时,解决了采用场路耦合法模拟电机时需频繁进行网格剖分而造成的“瓶颈”问题．该方法已成功运用到对开关磁阻电机的模拟中．     

用高阶有限元素法模拟双侧向测井仪器在层状介质中的响应

利用有限元法模拟双侧向测井响应,基函数的特性对有限元计算效率和精度影响较大.当基函数为线性函数时,要达到理想的仿真精度需要采用十分稠密的网格剖分,这将导致计算量增加从而影响仿真效率.采用高阶基函数插值,模拟双侧向测井响应,结果表明,稀疏的网格剖分在采用高阶基函数时仍然可以保证较好的仿真精度,同比线性插值基函数,高阶基函数具有高效率和高精度特点.针对深侧向截断误差较大的问题,通过优化网格划分和边界处理方法可提高深侧向结果精度.     

考虑转子运动的有限元分析前处理技术

提出了二维有限元分析中考虑转子运动时三角形单元的自动生成方法。采用该方法只需重新剖分气隙部分就可获得转子位置已变化了的整个求解区域的网格剖分,可以节省大量机时,解决了采用场路耦合法模拟电机时需频繁进行网格剖分而造成的“瓶颈”问题。该方法已成功运用到对开关磁阻电机的模拟中。     

弹性力学问题中有限元方程的多重网格解法

本文采用多重网格算法求解弹性力学问题的有限元方程;编制的计算软件将自动剖分与图形输出融为一体;结合算例讨论了多重网格算法优于一般迭代法的主要特点.     

基于双二次插值的2.5维FCSEM有限元正演模拟

首先给出2.5维频率域可控源电磁的有限元方程,并详细推导基于矩形剖分及双二次插值的有限元方程的刚度矩阵的求解过程;接着重点研究波数的选取并得到一组精度较高的波数选取方案;然后利用本文基于双二次插值的有限元算法对一个均匀半空间模型进行模拟计算,并将计算结果与解析解对比,验证本文算法的正确性;最后对2个二维地电模型进行有限元模拟,分别得到TE及TM模式下的视电阻率及相位等值线断面图,通过对比分析可知模拟结果均能在不同程度上反映出异常体,从而进一步说明本文算法能够对2.5维频率域可控源电磁进行有效地模拟。     

大地电磁三维矢量有限元正演模拟

从Maxwell方程出发,开展了三维大地电磁场所满足的边值问题研究,利用加权余量法导出了三维大地电磁有限元方程.介绍了三维矢量有限元六面体网格剖分方式、插值基函数选取,推导了三维大地电磁矢量有限元正演的单元刚度系数矩阵及离散格式.编制了三维矢量有限元大地电磁正演的Matlab程序.三维COMMEMI 3D-1模型的视电阻率曲线与国际通用的标准测试数据能很好地拟合,验证了作者编写的矢量有限元正演程序的正确性.通过对高、低阻异常体的阻抗张量形态分析,说明张量阻抗等值线图能用以大致判断异常体特性,丰富了大地电磁响应特征的表达方式.     

砷化镓金属—半导体场效应晶体管的二维数值分析

本文叙述用有限元方法对工作在导带的 GaAs MESFET's 器件进行二维稳态模拟的程序.用三角形单元不均匀网格剖分的程序,能局部加密,优化结点编码,缩小带宽;对基本方程离散采用改进的电荷浓缩法和有限元——有限差分混合法;方程求解采用藕合法,偏压步长大,计算速度快.     

瞬变电磁2.5维有限元正演的程序实现过程

瞬变电磁2.5维有限单元法正演近几年发展很快,公式推导已经很成熟,但编写程序实现瞬变电磁2.5维有限单元法正演却是一个比较繁琐的过程,因为其中涉及波数范围的选择、(s,m)域一次场的计算、拉氏逆变换、傅氏逆变换等几个影响程序实现、运算速度及精度的关键技术.本文就以上几个关键点展开论述,力求比较清晰的描述瞬变电磁2.5维有限元正演程序的实现过程.使感兴趣的读者以此为基础,进一步把瞬变电磁2.5维正演做得更好.二维地电模型的中心回线装置响应的计算可以得出瞬变电磁烟圈效应,也可以使瞬变电磁勘察地质体的可行性分析由一雏上升至二维.     

三维波动方程的数值频散关系及其叠前和叠后数值模拟

采用适于三维各向同性介质正演的有限差分格式 ,对声波方程进行了差分离散 ,导出了差分格式的数值频散关系。研究表明 ,三维正演的数值频散主要受差分精度及网格空间步长的影响 ,尤以后者影响更甚。在相同的条件下 ,剖分步长越大及差分精度越低 ,数值频散现象越明显。研究还表明 ,剖分网格有低通滤波作用 ,因而在正演时应使激发源的主要频率远离网格的截止频率 ,以保证精度。在此基础上对某地质模型进行了叠前和叠后数值模拟。计算结果表明 ,叠前模拟能够比较真实地反映地震波在地下介质中的传播规律 ,但计算量过大 ;叠后模拟时 ,爆炸界面法能较好地反映地下反射界面形状 ,但不宜计算较大的模型 ;平面波照射法可用于计算较大的模型 ,且能较好地反映波的动力学特征 ,但不能精确地反映界面形态     

近场散射问题数值计算的超弱变分方法

针对以全内反射显微镜为模型的近场散射问题提出一种超弱变分方法. 在计算区域网格剖分的基础上, 利用Green公式将问题转化到网格边界上求解, 并利用平面波函数和倏逝波函数逼近解的局部性态. 结果表明, 算法能有效数值模拟近场散射问题, 适用于大波数情形, 收敛速度快.