Free-surface Boundary Condition in Time-domain Elastic Wave Modeling Using Displacement-based Finite-difference Method

We designed a new time-domain, finite-difference, elastic wave modeling technique, based on a displacement formulation. which yields nearly correct solutions to Lamb's problem. Unlike the conventional, displacement-based, finite-difference method using a node-based grid set (where both displacements and material properties such as density and Lame constants are assigned to nodal points), in our new finite-difference method, we use a cell-based grid set (where displacements are still defined at nodal points but material properties within cells). In the case of using the cell-based grid set, stress-free conditions at the free surface are naturally described by the changes in the material properties without any additional free-surface boundary condition. Through numerical tests, we confirmed that the new second-order finite differences formulated in the cell-based grid let generate numerical solutions compatible with analytic solutions unlike the old second-order finite-differences formulated in the node-based grid set.

시간영역 변위근사 유한차분법의 자유면 경계조건

자유면 경계조건을 정착하게 묘사할 수 있는 변위근사 유한차분법을 이용하는 시간영역 탄성파 모델링법을 고안하였다. 기존의 변위근사 유한차분법의 경우 변위와 매질의 물성을 격자점에 정의하는 격자군(격자점 기반의 격자군)을 이용하였으나, 이 연구에서 제시하는 새로운 유한차분법에서는 변위는 격자점에 정의하지만 매질의 물성을 격자점으로 둘러싸인 면에 정의하는 격자군(셀 기반의 격자군)을 이용한다. 매질의 물성을 셀에 정의할 경우 자유면에서 응력이 사라진다는 자유면 경계조건을 추가로 적용할 필요가 없으며 매질의 물성 변화만으로 자유면 경계조건을 표현할 수 있다. 수치예를 통한 정확도 분석 결과 셀 기반의 격자군을 이용할 경우 계산된 수치석인 해가 해석적인 해에 매우 근사함을 알 수 있었다.