可控震源基板振动的动力有限元分析

摘要

可控震源是一种低频长时振动的人工震源,其振动持续时间、扫描频率范围和激发能量可根据勘探区实际情况设定,适合于厚卵石区、沙漠区、戈壁等炸药震源不易成孔的勘探区。在以往对可控震源的研究中,关注最多的是激发信号的质量,目的是怎样获取高质量的地震记录,对震源自身的探测功能关注较少,因此,利用数值模拟方法研究可控震源振动特征,成为目前亟待解决和完善的问题之一。本文采用ANSYS/LSDYNA软件,在弹性半空间理论基础上,对可控震源进行数值仿真,从边界条件、荷载作用形式及接触方式等方面入手分析,建立正演模型,进行理论位移曲线与数值位移曲线对比,验证了数值模拟的可行性和正确性。在上述基础上,建立10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m均匀土层和层状土层模型,通过不同高度模型的位移曲线,进一步研究了可控震源的探测深度问题。另外,根据地震波在弹性体中的传播规律及位移等效原则,提出非均匀地层的等效速度模型,验证了提出的构想等效速度公式在一定范围的适用性。最后,本文通过工程实例对探测深度及构想等效公式做了进一步验证,得出具体的半定量化规律。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 地球物理勘探震源概述

1.2 可控震源应用研究现状

1.3 动力机器基础研究现状

1.3.1 解析法

1.3.2 数值法

1.4 可控震源的数值模拟研究

1.4.1 研究意义与目的

1.4.2 研究思路及技术路线

1.4.3 研究内容

2 可控震源基本理论及其动力学模型

2.1 可控震源的结构及工作原理

2.1.1 可控震源的总体结构

2.1.2 可控震源工作原理

2.2 可控震源的力学系统

2.2.1 震源输出力

2.2.2 大地阻抗

2.3 近地表横波速度计算原理

2.3.1 圆盘基础的动力响应模型

2.3.2 简谐振动作用下Lysmer方程的理论解

2.3.3 基板的动力响应模型

3 可控震源基板振动的有限元模拟方法

3.1 动力有限元法

3.1.1 结构的动力方程

3.1.2 动力问题的求解

3.2 ANSYS/LSDYNA软件简介

3.2.1 ANSYS/LSDYNA程序

3.2.2 LS-DYNA算法

3.2.3 SOLID164单元

3.2.4 无反射边界条件

3.2.5 沙漏控制

3.2.6 接触定义

3.2.7 显式时间积分和时步控制

3.3 基板振动的有限元模型

3.3.1 理论位移曲线

3.3.2 动力有限元计算模型

3.3.3 数值计算位移曲线

3.3.4 动力有限元模型验证

3.4 本章小结

4 可控震源参数Gs,Gv探测深度的有限元分析

4.1 研究思路与方法

4.2 均匀土体探测深度的有限元分析

4.3 层状土体探测深度的有限元分析

4.3.1 土层波速随深度递增的有限元分析

4.3.2 土层波速随深度递减的有限元分析

4.4 工程实例分析

4.4.1 工程实例数据

4.4.2 探测深度的有限元分析

4.5 本章小结

5 非均匀地层等效速度模型的有限元分析

5.1 等效速度模型的有限元分析

5.1.1 等效速度的误差

5.1.2 层状地层的等效速度模型的有限元分析

5.1.3 地表含低速层层状地层的等效速度模型的有限元分析

5.1.4 工程实例的等效速度模型的有限元分析

5.2 等效速度公式及验证分析

5.2.1 理论等效速度公式及构想等效速度公式

5.2.2 效速度公式的验证分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A

附录B