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研究生:林俊雄
研究生(外文):Jiun-Shiung Lin
論文名稱:壓力波起始到達時間之數值模擬與探討
論文名稱(外文):Numerical Simulation and Study of Initial Arrival Time of P-Waves
指導教授:康裕明
指導教授(外文):Yumin Vincent Kang
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:土木及水利工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:122
中文關鍵詞:起始到達時間柏松比阻尼比叉積相關函數視波速
外文關鍵詞:Initial Arrival TimePoisson's RatioDamping RatioCross-Colleration MethodApparent Velocity
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摘要
應力波起始到達時間的量測結果正確與否,對檢測的結果影響甚鉅。基於此,本論文探討到達時間提早達到現象的各種影響因子,本研究採工程界常用的兩種模擬軟體ABAQUS及FLAC程式進行模擬,進行兩種程式模擬的結果比較,擇一優於模擬起始到達時間之程式,進行後續的相關研究,從模擬所得之結果證明,在兩程式中到達時間皆有提早的現象。
藉由數值模擬的方式,探討相關的材料參數柏松比、阻尼比和不同的接收器距離等一系列的應力波起始到達時間,結果顯示到達時間會隨著柏松比及阻尼比的增加而提早,到達時間亦會隨著接收間距的加大而提早的趨勢。
二維和三維模型中分別討論穩態或暫態作用力,在使用相同的材料參數條件由模擬所得的變位及加速度值計算波速,模擬顯示在二維穩態作用力下,變位所獲得之視波速比加速度所獲波速好。在二維和三維暫態作用力下,模擬所得變位波形呈現振盪發散,故無法使用叉積相關函數計算波速,而加速度波形的假訊過大,計算波速上亦有因難;在三維中由於其假訊的情形比二維提早許多,波形的複雜性更高,更難加以探討。

ABSTRACT
The measurement of the initial arrival time of stress waves can greatly influence the sequential measurements. The purpose of this thesis was to examine the influential factors which make stress waves arrive earlier. Two simulation computer programs ─ ABAQUS and FLAC, which are widely used in engineering industry, were used to study the initial arrival time of stress waves. Then the better program was chosen to proceed the sequential simulation. The results from both programs show that initial arrival time of simulated stress waves will always come earlier than that of theoretical stress waves.
The thesis examined the influence of Poisson’s ratio, damping ratio, and the distance between receivers on the initial arrival time. The results show that a larger value of the Poisson’s ratio or damping ratio is, the earlier the stress waves arrive. And the time of arrival tends to be early as the distance between receivers increasing.
In the 2-dimensional and 3-dimensional models, both the steady-state force and the transient-state force are respectively discussed. With the same material parameters, the apparent velocity was computed from either the information of displacement or acceleration by cross-correlation method. It shows that a more correct apparent velocity can be obtained from displacement other than from acceleration under the steady-state force in the 2-dimensional models. The waveform of the displacement is in divergent oscillation under the transient-state force both in the 2-dimensional and 3-dimensional models. Therefore, the apparent velocity can no longer be computed by cross-correlation method. A pseudo wave of acceleration due to simulation error will occur in front of true wave and its magnitude is so big that the real apparent velocity can not be obtained easily. Furthermore, the pseudo wave in 3-dimensional model arrives much earlier than in 2-dimensional model. In addition, the waveform of 3-dimensional model is much more complicated so that difficulties were countered in further study.
目錄
第一章 緒論
1-1研究的背景與目的----------------------------------- 1
1-2研究的方法與內容----------------------------------- 2
1-3論文內容------------------------------------------- 3
第二章 文獻回顧
2-1 前言-----------------------------------------------4
2-2 應力波基本原理簡介-------------------------------- 4
2-3 起始到達時間之工程應用-----------------------------6
2-4 起始到達時間之影響因素-----------------------------7
2-4-1近域效應的影響------------------------------- 7
2-4-2材料性質的影響------------------------------- 8
2-4-3網格尺寸和時間增量的影響--------------------- 8
2-5 均質桿件軸向振動行為------------------------------ 9
2-6 結論---------------------------------------------- 12
第三章 程式介紹及數據處理
3-1 前言---------------------------------------------- 13
3-2 ABAQUS程式介紹------------------------------------ 13
3-2-1操作環境系統--------------------------------- 13
3-2-2 元素種類------------------------------------ 14
3-2-3 阻尼設定-------------------------------------15
3-2-4 震源型式的設定------------------------------ 15
3-2-5 動態指令的介紹------------------------------ 17
3-3 FLAC 程式介紹------------------------------------- 19
3-3-1 操作環境系統-------------------------------- 19
3-3-2 元素種類------------------------------------ 19
3-3-3 阻尼設定------------------------------------ 19
3-3-4 震源型式的設定------------------------------ 20
3-3-5 動態指令的介紹------------------------------ 21
3-4 數據的處理---------------------------------------- 21
第四章 程式驗核與討論
4-1 前言--------------------------------------------- 23
4-2 級數解的比較-------------------------------------- 24
4-3 ABAQUS元素的選定---------------------------------- 25
4-3-1 驗核實例的介紹------------------------------ 25
4-3-2 網格尺寸------------------------------------ 26
4-3-3 時間增量的影響------------------------------ 27
4-3-4 元素的選定與討論---------------------------- 28
4-4 動態波形的驗核------------------------------------ 29
4-5 起始到達時間之比較-------------------------------- 30
4-5-1 ABAQUS和FLAC起始到達時間的比較-------------- 30
4-5-2 網格尺寸的影響------------------------------ 31
4-6 綜合討論與結論 ------------------------------------ 31
第五章 二維桿件的探討
5-1 前言---------------------------------------------- 33
5-2 變位與加速度的比較-------------------------------- 33
5-3 材料性質對起始到達時間的影響---------------------- 34
5-3-1柏松比的影響-------------------------------- 34
5-3-2阻尼比的影響-------------------------------- 34
5-4 不同接收距離的影響-------------------------------- 35
5-5 叉積相關函數所計算之波速探討---------------------- 36
5-5-1 變位及加速度所推算之波速比較---------------- 37
5-5-2 接收點位的影響------------------------------ 38
5-5-3柏松比與阻尼比的影響------------------------- 38
5-6 綜合討論與結論 ------------------------------------ 39
第六章 三維桿件的探討
6-1 前言-----------------------------------------------42
6-2 三維桿件的特性 ------------------------------------ 43
6-2-1 網格尺寸的影響-------------------------------43
6-2-2 變位、加速度及材料性質與到達時間的關係------ 44
6-3 二維元素和三維元素的中心點荷重和均佈載重波速比較-- 44
6-4 綜合討論與結論------------------------------------ 48
第七章 結論與建議
7-1 前言---------------------------------------------- 51
7-2 結論---------------------------------------------- 51
7-3 建議---------------------------------------------- 53
參考文獻 --------------------------------------------- 54
表目錄
表4-1 二維均質桿件模擬使用的模型尺寸及各種參數-------- 57
表4-2 三種素元在不同網格及不同時間增量的起始到達時間
(d1=10m)----------------------------------------- 57
表4-3 暫態作用力下ABAQUS與FLAC程式起始到達時間比較---- 57
表4-4 穩態作用力下ABAQUS與FLAC程式起始到達時間比較---- 57
表5-1 不同解析阻尼比的到達時間和變位變化-------------- 58
表5-2變化柏松比下,以兩種方法計算波速之結果比較------- 58
表5-3變化雷利阻尼比下,以叉積相關函數法計算波速之結果 59
表6-1三維桿件模擬使用的模型尺寸及各種參數------------- 59
圖目錄
圖2-2-1-(a)非平面運動--------------------------------- 60
圖2-2-1-(b)平面運動------------------------------------60
圖2-2-2-(a) 壓力波------------------------------------ 61
圖2-2-2-(b) 剪力波------------------------------------ 61
圖2-2-2-(c) 雷利波------------------------------------ 61
圖2-3-1不同選點方式的正規化波速比較(摘自文獻【5】)---- 62
圖2-4-1-(a) P波中 SV波的近域影響(摘自文獻【13】)------ 63
圖2-4-1-(b) SV波中P波的近域影響(摘自文獻【13】)------- 63
圖2-4-2-(a)柏松比對P波到達時間的影響(摘自文獻【14】)-- 64
圖2-4-2-(b)柏松比對SV波到達時間的影響(摘自文獻【14】)- 64
圖2-4-3-(a)阻尼比對P波到達時間的影響(摘自文獻【14】)-- 65
圖2-4-3-(b)阻尼比對SV波到達時間的影響(摘自文獻【14】)- 65
圖2-4-3-(c)阻尼比對SH波到達時間的影響(摘自文獻【14】)- 66
圖2-5-1二維均質桿件----------------------------------- 66
圖3-2-1 ABAQUS 數據前後處理流程圖--------------------- 67
圖3-2-2 ABAQUS元素(摘自文獻【19】)-------------------- 68
圖4-1-1二維均質桿件模型------------------------------- 69
圖4-2-1-(a)不同積分項次級數解(d1=10m)----------------- 69
圖4-2-1-(b) 為圖4-2-1-(a)的到達時間放大圖------------- 70
圖4-2-1-(c) 為圖4-2-1-(b)的到達時間比較圖------------- 70
圖4-3-1壓力波(Vp、Vc)到達時間比較(d1=10m)------------- 71
圖4-3-2穩態作用力下之X軸方向變化(級數解)-------------- 72
圖4-3-3時間增量=1E-4秒,變化網格尺寸------------------ 73
圖4-3-4時間增量=1E-5秒,變化網格尺寸 ------------------74
圖4-3-5時間增量=1E-6秒,變化網格尺寸------------------ 75
圖4-3-6三種元素,時間增量=1E-5秒,變化網格尺寸起始到達
時間放大圖--------------------------------------76
圖4-3-7網格大小與其波形比較--------------------------- 77
圖4-3-8不同時間增量,起始到達時間比較----------------- 78
圖4-3-9 P波游離處理波形圖----------------------------- 79
圖4-3-10波速比較(d1=10m,d2=11~18m)------------------- 79
圖4-3-11波速誤差百分比(d1=10m,d2=11~18m)------------ 80
圖4-3-12反射波示意圖--------------------------------- 80
圖4-4-1暫態作用力下之X軸方向變位--------------------- 81
圖4-4-2 ABAQUS與FLAC變位波形比較(穩態作用力)--------- 82
圖4-4-3 ABAQUS與FALC變位波形比較(暫態作用力)--------- 83
圖4-5-1 ABAQUS與FALC到達時間比較(穩態作用力,網格0.25*0.25m) ----------------------------------------------84
圖4-5-2 ABAQUS與FALC到達時間比較(穩態作用力,網格0.125*0.125m) ----------------------------------------------85
圖4-5-3 ABAQUS與FALC到達時間比較(暫態作用力,網格0.25*0.25m) ----------------------------------------------86
圖4-5-4 ABAQUS與FALC到達時間比較(暫態作用力,網格0.125*0.125m) ----------------------------------------------87
圖4-5-5 FALC變化網格之到達時間比較 (穩態作用力,FLAC網格
變化從0.04*0.04m至0.125*0.125m)--------------- 88
圖5-2-1變位與加速度----------------------------------- 89
圖5-3-1不同柏松比的到達時間 --------------------------- 90
圖5-3-2不同距離下變化柏松比正規化到達時間------------- 91
圖5-3-3不同雷利阻尼比的到達時間----------------------- 92
圖5-3-4不同解析阻尼比的到達時間----------------------- 93
圖5-4-1不同接收距離之正規化到達時間------------------- 94
圖5-5-1 Cross42中加速度值處理------------------------- 95
圖5-5-2加速度訊雜比----------------------------------- 96
圖5-5-3 Cross42中變位值之P波游離處理 ----------------- 96
圖5-5-4 Adc加速度計算波速處理及結果------------------- 97
圖5-5-5 Adc變位計算波速處理及結果--------------------- 98
圖5-5-6波速比較,△d=1~12m,d1=5m,d2=6~17m----------- 99
圖5-5-7-(a)叉積相關函數計算結果 d1=5m,d2=14m ---------99
圖5-5-7-(b)叉積相關函數計算結果 d1=5m,d2=15m ---------100
圖5-5-7-(c)叉積相關函數計算結果 d1=5m,d2=16m ---------100
圖5-5-8波速比較,△d=1~7m,d1=10m ,d2=11~17m ---------101
圖5-5-9波速比較,△d=3m,d1=3~14m ,d2=6~17m ---------101
圖5-5-10柏松比對波速的影響,d1=10m ,d2=15m------------102
圖5-5-11雷利阻尼比對波速的影響,d1=10m ,d2=15m------- 103
圖6-1-1三維元素C3D20R--------------------------------- 104
圖6-1-2對稱元素CAX8R---------------------------------- 105
圖6-1-3二維元素CPS8R---------------------------------- 105
圖6-2-1三維桿件不同網格尺寸起始到達時間--------------- 106
圖6-2-2三維桿件變位---------------------------------- 107
圖6-2-3三維桿件加速度--------------------------------- 107
圖6-2-4變化柏松比對到達時間的影響--------------------- 108
圖6-2-5變化雷利阻尼比對到達時間的影響----------------- 108
圖6-3-1三維暫態均佈力變位----------------------------- 109
圖6-3-2對稱暫態均佈力變位------------------------------109
圖6-3-3對稱中心點荷重--------------------------------- 110
圖6-3-4二維中心點荷重--------------------------------- 110
圖6-3-5真波後第一波峰之波速比較(△d=1~16cm)----------- 111
圖6-3-6真波後第一個最大波峰之波速比較(△d=1~16cm)----- 111
圖6-3-7對稱中心點荷重波速(△d=1cm)-------------------- 112
圖6-3-8對稱中心點荷重波速誤差百分比(△d=1cm)---------- 113
圖6-3-9對稱中心點荷重真波後第一個最大波峰取點比較----- 114
圖6-3-10二維中心點荷重(△d=1cm)----------------------- 115
圖6-3-11二維中心點荷重波速誤差百分比(△d=1cm)--------- 115
圖6-3-12真波後第一波峰之波速比較(△d=1cm)------------- 116
圖6-3-13真波後第一個最大波峰之波速比較(△d=1cm)------- 116
圖6-3-14對稱中心點荷重固定△d和變化△d的波速比較
(真波後第一波峰)-------------------------------117
圖6-3-15二維中心點荷重固定△d和變化△d的波速比較
(真波後第一波峰)------------------------------ 118
圖6-3-16對稱中心點荷重波速的比較(△d=1cm)(真波後第一波峰) --------------------------------------------- 119
圖6-3-17 Cross43 P波游離處理圖------------------------ 119
圖6-3-18三維元素和二維元素之正規化加速度波形比較------ 120
圖6-3-19對稱均佈力及中心點荷重的波速 ------------------ 121
圖6-3-20對稱均佈力及中心點荷重的波速誤差百分比-------- 121
圖6-3-21對稱中心點荷重叉積相關函數計算結果之最大值---- 121
圖6-3-22二維均佈力及中心點荷重的波速 ------------------ 122
圖6-3-23二維均佈力及中心點荷重的波速誤差百分比-------- 122
圖6-3-24二維中心點荷重叉積相關函數計算結果之最大值---- 122

參考文獻
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