三维含孔洞层状结构中弹性波散射模拟的奇异边界法研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    11702083
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    22.0万
  • 负责人：
    林继
  • 依托单位：
    河海大学
  • 学科分类：
    A0813.计算固体力学
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Numerical simulation of elastic wave propagation in multilayered media with embedded cavities is of great importance for a broad field of science and engineering, such as the seismic structural design and the petroleum exploration. Standard numerical methods for such problems encounter several bottlenecks, such as discretization of the semi-infinite geometry, numerical integration of singular integrals, and highly computational complexity for solving a dense matrix system. To alleviate the difficulties mentioned above, the semi-analytical singular boundary method (SBM), a boundary-only meshless method, has been recently developed. Based on previous studies, we will investigate new methods for obtaining the origin intensity factors for eliminating the singularity of the fundamental solution of 3D elastic wave problems in the half-plane. Subsequently, we will introduce the fast multipole method (FMM) to reduce the computational complexity. And then the proposed FMM-SBM is utilized to obtain the dynamic response of the elastic wave scattering by large scale or complex shaped medium. Then pre-conditioning techniques for the resultant matrix are investigated to accelerate the converging speed of iterative solvers for the coupled matrix of elastic wave scattering in multilayered media. The primary purpose of this proposed project is to develop a novel technique which can simulate elastic wave scattering by cavities embedded in 3D multilayered media with numerically stable, highly accurate and efficient.
数值模拟弹性波在含孔洞层状介质中的传播在建筑结构抗震设计和矿产石油勘探等领域有着重要的意义，常用数值方法遇到的主要困难是半无限域的处理、奇异数值积分以及稠密矩阵方程的快速求解等。近几年发展起来的半解析奇异边界法能够较好地克服这些问题，具有无数值积分、无网格、无限域问题仅需边界离散等优点。基于申请者的前期研究工作，本项目拟采用奇异边界法，研究精确求解三维半无限域弹性波问题源点强度因子的新技术，避免奇异及近奇异积分的计算；引入快速多极子算法，发展奇异边界法稠密矩阵方程的快速求解技术，建立三维半无限域弹性波散射的快速计算模型；研究矩阵预处理技术，加快多层介质问题耦合矩阵的迭代收敛速度，最终实现大规模三维含孔洞层状结构中弹性波散射的快速模拟。项目的研究目标是发展数值稳定、高精度、高效率地计算三维含孔洞层状结构中弹性波散射模拟的新型方法。

结项摘要

含孔洞层状结构中弹性波散射的高精度、快速数值模拟在结构抗震设计和石油勘探等领域具有重要的理论意义和应用价值，常用数值方法在处理此类问题时常面临着半无限区域处理、奇异数值积分和稠密矩阵的快速计算等难题。本项目采用半解析的奇异边界法，数值研究半空间中含孔洞的弹性波散射问题。奇异边界法使用基本解的线性组合作为近似函数，为了避免基本解的奇异性，奇异边界法引入源点强度因子的概念。. 本项目采用半解析的奇异边界法数值模拟含孔洞半空间结构中弹性波散射问题，主要研究内容包括以下几个方面：（1）研究奇异边界法中源点强度因子计算的新方法，发展半空间问题的源点强度因子，建立半空间结构中弹性波散射的奇异边界法数值模型；（2）将奇异边界法与快速矩阵求解算法进行有效结合，并引入有效的矩阵预处理技术，实现大规模弹性波散射问题的高精度、快速求解；（3）在高性能计算机上编制半解析奇异边界法程序，实现上百万自由度弹性波散射问题的求解，优化程序和算法。. 针对源点强度因子的求解，项目组首先研究时谐弹性波基本解与弹性静力学基本解之间的关系，发展了弹性波问题的源点强度因子，其次针对半空间中源点强度因子的求解，项目组引入有限元法中常用的边界截断技术，将半无界区域截断为有界区域，并使用有界区域的源点强度因子近似代替无界区域源点强度因子，解决了源点强度因子求解的难题。此外，奇异边界法难以被直接用于大规模问题，因此项目组将快速多极子方法与奇异边界法进行耦合，并发展了双重网格方法，解决了计算瓶颈难题，提高了计算效率。此外本项目组将发展的半解析奇异边界法在高性能计算机上进行编程，成功模拟上百万自由度波散射问题，开发了程序的软件包，并申请了2项发明专利。

项目成果

期刊论文数量（22）
专著数量（1）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Meshless simulation of anti-plane crack problems by the method of fundamental solutions using the crack Green's function
利用裂纹格林函数的基本解法对反平面裂纹问题进行无网格模拟
  • DOI：
    10.1016/j.camwa.2019.09.016
  • 发表时间：
    2020-03
  • 期刊：
    Computers & Mathematics with Applications
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Ma Ji;Chen Wen;Zhang Chuanzeng;Lin Ji
  • 通讯作者：
    Lin Ji
A cubic B-spline semi-analytical algorithm for simulation of 3D steady-state convection-diffusion-reaction problems
用于模拟 3D 稳态对流扩散反应问题的三次 B 样条半解析算法
  • DOI：
    10.1016/j.amc.2019.124944
  • 发表时间：
    2020-04-15
  • 期刊：
    APPLIED MATHEMATICS AND COMPUTATION
  • 影响因子：
    4
  • 作者：
    Lin, Ji;Reutskiy, Sergiy
  • 通讯作者：
    Reutskiy, Sergiy
The radial basis function differential quadrature method with ghost points
带鬼点的径向基函数微分求积法
  • DOI：
    10.1016/j.matcom.2020.01.006
  • 发表时间：
    2020-07
  • 期刊：
    Mathematics and Computers in Simulation
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Lin Ji;Zhao Yuxiang;Watson Daniel;Chen C. S.
  • 通讯作者：
    Chen C. S.
Simulation of Seismic Wave Scattering by Embedded Cavities in an Elastic Half-Plane Using the Novel Singular Boundary Method
使用新颖的奇异边界方法模拟弹性半平面中嵌入空腔的地震波散射
  • DOI：
    10.4208/aamm.oa-2016-0187
  • 发表时间：
    2018-06
  • 期刊：
    Advances in Applied Mathematics and Mechanics
  • 影响因子：
    1.4
  • 作者：
    Lin Ji;Zhang Chuanzeng;Sun Linlin;Lu Jun
  • 通讯作者：
    Lu Jun
Simulation of heat conduction problems in layered materials using the meshless singular boundary method
使用无网格奇异边界法模拟层状材料的热传导问题
  • DOI：
    10.1016/j.enganabound.2018.02.003
  • 发表时间：
    2019-03
  • 期刊：
    Engineering Analysis with Boundary Elements
  • 影响因子：
    3.3
  • 作者：
    Zheng Bin;Lin Ji;Chen Wen
  • 通讯作者：
    Chen Wen

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其他文献

基于径向基函数的局部近似特解法求解二维薛定谔方程
  • DOI：
    10.13393/j.cnki.issn.1672-948x.2016.01.011
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    三峡大学学报(自然科学版)
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    洪永兴;陈文;林继
  • 通讯作者：
    林继

其他文献

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大型地下洞室群动力响应分析的快速半解析方法研究
  • 批准号：
  • 批准年份：
    2020
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    面上项目

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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