张友良[1]2003年在《岩土大规模高性能并行有限元系统研究》文中进行了进一步梳理本文的研究了如何在普通PC机群上实现岩土工程大规模有限元并行计算,以更好地发挥有限元在岩土工程中的应用。在PC机群COW并行系统上,实现大规模有限元并行计算需要解决有限元并行策略问题、大量数据的分布存储问题、大规模方程组迭代求解的收敛性问题和程序实现等。本文围绕如何解决以上问题提出了一套系统地解决这些问题的方法,具体来说做了以下工作,1、Windows环境下并行平台的组建。组建了用100Mbps高速以太网络联结若干台个人计算机的并行系统平台,在此平台上采用Windows下基于消息传递机制的MPI系统进行并行有限元程序开发。2、有限元并行策略研究。目前很多并行有限元采用的是局部并行算法,即对有限元计算中计算量大的部分实行并行,如单元分析、方程组求解等。对于分布式内存并行系统,这种方案需要大量通讯,大大影响计算速度,特别对于网络速度较慢的PC机群COW并行系统,这种方法的并行效率较低。本文提出采用区域分解的“分而治之”的并行策略实现有限元并行,即将有限元计算区域划分成若干大小相等的子区域,然后将这些子区域的计算映射到每个计算机上并行地进行。每个进程负责本子区域的有限元全部计算,只在区域公共部分进行通讯和交换数据信息。这种策略的优点在于高度并行、通信少、可扩展性好、程序具有很好的移植性,软件维护工作量也相对少。3、有限元计算数据的分布存储研究。由于大规模有限元数据量巨大,单个PC机求解一个主要问题是内存不足。解决数据分布存储问题就是实现超大规模有限元计算,同时还减少数据通讯。本文结合以上区域分解并行策略,将每个子区域的数据信息存储在相应的各个计算机上,实现存储局部化,大大减少并行计算中的通讯量,同时可以实现大规模计算。4、大型方程组并行迭代方法研究。由于直接法在存储量和计算量上的限制,不适合并行地求解大规模方程组,本文采用共轭梯度法来实现方程组的并行求解。为解决大型方程组收敛性问题,采用子区域信息建立预条件子。这种预处理技术非
张友良, 冯夏庭, 茹忠亮[2]2004年在《基于区域分解算法的岩土大规模高性能并行有限元系统研究》文中提出岩土工程规模大,加上岩土介质复杂的特性,使得当前有限元数值模拟在时间和精确度上很难达到工程要求。研究了在普通 PC 机群上实现的大规模并行有限元方法,以更好地发挥有限元在岩土工程中的应用。组建了Windows 下 PC 机群并行系统。采用“分而治之”的并行策略实现有限元并行,并实现了存储局部化。采用基于区域分解预处理技术的并行共轭梯度法来实现方程组的求解。集成以上方法,用 C++开发了并行有限元程序ParallelGeoFEM。对水布垭地下厂房进行了叁维有限元并行模拟,得到了较好的加速比。结果表明,基于区域分解的并行有限元方法可以实现岩土工程大规模快速精细的模拟。
梁正召[3]2005年在《叁维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》文中研究说明岩石破裂是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。研究岩土工程材料的破裂过程，对揭示材料破裂过程的宏观非线性力学行为，评价岩石以及岩石工程的安全状态，了解岩土工程结构的稳定性以及采取合理的支护措施，都具有重要的理论意义和工程价值。 岩石力学与工程问题本身就是叁维的力学问题。除了少数的岩石力学问题可以简化为平面问题或者轴对称问题来进行处理外，二维模型的应用都是很有限的。由于岩石和岩体中非均匀性的存在，很容易产生不对称破坏。一旦涉及到不对称性的破坏，几乎所有的二维破坏问题都变成了叁维破坏问题。 一方面，岩石介质是非透明材料，给岩石内部叁维裂纹扩展和试件破坏观测带来非常大的困难。即使对于均质材料，经典断裂力学在叁维破裂中遇到数学的困难，而对于极不均匀性的岩石介质的破裂问题还更难通过解析理论进行准确的描述。另一方面，在实验室的叁轴试验中，因为试件制作以及加载条件的困难，往往采用伪叁轴试验代替真叁轴试验。数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制，都给岩石叁维破裂过程的研究带来很大的困难。有限元方法仍然是解决这些问题的强有力的工具之一。以往数值模拟分析的目的往往是为了得到一个满意的初始应力场变形场或者最终受力结果，随着计算环境的改善和实际问题的客观要求的发展，岩石破裂过程分析正在转向整个结构和一个发展过程的全程模拟。 本文的研究工作可以总结为以下几个方面： 1、岩石叁维破裂过程分析模型研究：采用Weibull等各种随机分布函数描述岩石材料的细观非均匀性，并通过Monte-Carlo方法实现单元力学属性的随机赋值。在考虑细观单元非均匀性的基础上，建立叁维弹性损伤演化本构模型，通过非均匀介质变形过程中微破裂积累造成的力学性质弱化来反映岩石宏观变形非线性的本质特征。 2、分析系统开发：采用数值计算速度较快的Fortran语言在PowerStation平台开发RFPA~(3D)系统的应力分析模块，并在Linux Redhat 9.0平台下开发并行有限元计算模块，采用功能强大的Microsoft Visual C++语言开发RFPA~(3D)系统的独特的叁维破坏分析模块，并利用Microsoft Visual C++语言开发RFPA~(3D)和RFPA~3D-Parallel系统方便友好高效的前后处理界面及其接口，采用SGL公司跨平台强大图形库模块OpenGL来实现软件模拟结果的图形图像的显示。 3、基本力学试验及其机理模拟分析：分析岩石不同非均匀性、压拉比和残余强度下的变形破坏行为，模拟分析试件尺寸效应、试件形状效应、加载端部刚度效应，以及不同的加载方式以及采用不同的破坏准则、细观单元不同的随机分布类型、不同的损伤模型对岩石破裂过程的影响，分析了围压效应和真叁轴试验下的中间主应力效应。 4、断裂力学试验模拟：研究空间叁维裂纹的萌生、扩展、相互作用和贯通的机理，以及裂纹角度、裂纹长度和裂纹深度对表面裂纹扩展和贯通的影响。模拟岩石在单轴压缩破坏、单轴拉伸断裂、剪切断裂以及复合断裂破坏过程，综合分析试验结果和声发射空间分布图像、数值试验图像以及这些图像与各自应力应变曲线之间的关系，研究岩石破裂过程中应力场、位移场和微破裂空间演化的基本规律以及非线性行为(包括自组织临界现象、分形和逾渗行为)。 5、高性能并行计算：编制大规模并行计算软件，通过物理实验和数值试验对比分析了含
狄东超[4]2013年在《基于PETSc的并行计算及在基坑工程中的应用》文中研究表明本文在集群MPI环境下，使用数值计算并行库PETSc，对岩土工程并行有限元计算进行了较为广泛和深入的研究，并在大规模基坑工程数值模拟中进行了应用。首先，在高性能集群系统计算平台下，基于MPI并行编程环境和并行库PETSc，在自主开发的基于新本构模型的水土耦合岩土有限元软件GLEAVES中配置并行环境，并对线性方程组求解并行化；然后，基于岩土工程固结问题，对并行后的软件进行了并行性能分析；最后，对大规模基坑工程数值模拟进行了应用分析。主要工作和研究成果如下：（1）实现了岩土有限元软件GLEAVES的并行化。将MPI并行编程环境和并行库PETSc移植入自主开发的水土耦合有限元软件GLEAVES，使用PETSc对线性方程组求解并行化，并对并行后的程序进行了正确性验证。（2）基于岩土工程固结问题，分析了程序的并行性能。基于固结理论，分析了岩土工程矩阵特性及矩阵病态性产生的原因。在并行环境下，对Krylov子空间迭代法和常用预条件子进行了收敛性分析，结果表明，GMRES对非对称系统、对称系统均有较好的稳定性，但重启参数需要经验确定；BiCGSTAB对非对称系统和病态系统有较好的稳定性；而CG法则是对称正定系统的首选方法。在此基础上，分析了仅土骨架下材料差异和水土耦合下渗透系数引发的病态系统特性，结果表明，仅土骨架时，施加普通预条件即可明显改善收敛性，水土耦合条件下，渗透系数越小，方程组迭代次数越多，求解越困难。同时，介绍了并行直接库的应用。最后，以一个接近百万自由度的水土耦合算例为基础，分析了并行程序的性能。（3）采用并行后的软件对大规模基坑工程数值模拟进行了研究，对迭代法和预条件进行了应用。研究了大规模基坑开挖问题的重点和难点，然后采用并行后的软件对基坑开挖进行了并行性能分析。以某基坑开挖仅土骨架叁维数值模拟为例，分析了CG法和BiCGSTAB法在预条件Jacobi下的并行计算效率，结果表明，Jacobi预条件对仅土骨架条件性能较好；以某基坑开挖水土耦合叁维数值模拟为例，分析了如何确定迭代法和预条件，并对选取的结果进行了并行计算性能分析，结果表明，GMRES法和BJacobi预条件是解决水土耦合问题的稳定组合。
茹忠亮[5]2004年在《叁维进化弹塑性并行有限元反分析系统研究》文中研究说明随着国家基础建设的不断发展,越来越多大型、超大型岩土工程相继上马,这些工程不仅规模越来越大,而且其复杂程度也越来越高。传统的基于单机的有限元求解不仅面临着超大的自由度,而且还涉及到复杂的非线性本构关系,计算时间长、精度低已经成为人们不得不面对的一个问题。 区域分解算法是在并行机上求解偏微分方程数值解的一种方法。该方法先将偏微分方程求解区域划分为若干个子区域,然后在各个子区域并行求解。随着计算机及网络技术的发展,组建PC机联网的计算机群为人们提供了一个高效率的并行计算平台。本文在此背景下,对如何充分利用现有的计算资源,获得高效的有限元计算效率进行了研究。围绕这一问题,开展了以下几个方面的研究: 1) 结合区域分解算法的特点,引入锚固组合单元来模拟岩土工程中锚杆的加固效果,采用虚拟单元法模拟岩土工程开挖过程,结合大型稀疏矩阵方程组的并行共轭梯度算法,编制了基于Windows操作系统,适用于PC机群的岩土工程并行有限元计算程序。 2) 结合遗传算法和区域分解并行有限元算法,设计了进化并行有限元反分析算法,计算采用主—从并行模式,可根据测点的位移监测信息快速反演岩体的力学参数。 3) 并行程序开发采用面向对象的方式,其中包含了单元、材料、荷载、求解器、遗传算法等有限元类库,通过类库的管理可以方便地对程序进行维护和扩充。 4) 对水布垭电站尾水洞开挖断面锚固效果进行了并行有限元计算,分析了锚杆的加固效果及并行加速比;水布垭电站尾水洞阶段施工开挖工程计算规模大(百万单元)、开挖步多(20步),通过对其进行叁维并行弹塑性分析,实现了在PC机群上完成海量计算的目的;最后对水布垭地下厂房岩层参数进行了并行反演计算。
张永彬[6]2007年在《岩石破裂过程分析并行计算方法研究》文中进行了进一步梳理随着我国大型、超大型岩土工程的建设,岩石材料脆性破坏与工程结构灾害的研究面临着严重的挑战。岩石工程结构尺度巨大,涉及大量多相细观结构、宏观结构和界面,岩石工程中岩体结构失稳和破裂过程数值分析必须采用巨大的单元数目,需要巨大的计算容量和计算速度,而且岩石工程中的破裂问题数值模拟是一个从变形起始到最终破坏的漫长过程,这个过程对数值模拟而言周期非常长,需要极高的计算速度,对计算能力提出了较高的要求,而传统的单机串行分析方法无法满足工程需要,因而需要发展基于并行计算技术的大规模岩石结构破坏过程数值分析软件系统,以满足岩石力学和工程发展的需求,深入分析岩石材料细观破坏本质、进行工程稳定性评价。本论文在课题组原有工作基础之上,围绕岩石破裂过程并行分析这一主题,开展了以下几个方面的工作：1.完成了基于Jacobi预处理稳定双共轭梯度法的分布式集群环境下的并行求解器。并行求解器能够充分利用计算和通信的重迭以达到降低通信延迟的目的,其对存储要求较低,计算速度较快,能够完成大规模线性方程组的求解。2.讨论了有限元区域分解实施过程中有限元的网格无重迭划分、数据分割以及信息管理实现细节,构建了有限元计算子区域的有限元信息以及数据的局部化存储,并同时构建了并行计算的通信环境。3.基于有限元区域分解方法和并行Jacobi预处理稳定双共轭梯度法,采用MPICH和Fortran编制了叁维弹性有限元并行计算程序。算例表明并行计算程序具有较高的性能和良好的可扩展性。4.设计了基于客户机-服务器模型的分布式岩石破裂过程分析并行分析系统(RFPA3D-Parallel),采用WindowsXP PC机作为客户机,并行计算机作为服务器提供计算资源。通过面向连接协议的socket服务实现了客户机-服务器模型,完成了跨平台系统的信息通讯和数据传递功能,使得WindowsXP和Linux能够协调处理,从而实现了面向网络的岩石破裂过程并行分析系统。目前在所使用的32计算结点集群环境下,并行计算程序使用12个计算结点24个CPU就可以完成300万六面体单元近千万自由度的岩石破裂过程分析。5.通过应用RFPA3D-Parallel数值分析系统实现了不同主应力水平下叁层层状岩石结构模型中等间距裂纹数值模拟。一共进行了直接拉伸、双向不等应力拉伸和双向等应力拉伸叁种不同类型9种不同主应力比条件下的裂纹等间距数值模拟。数值模拟再现了裂纹的萌生、扩展以及贯通,最终形成不同模式的裂纹的整个形成过程。9种不同主应力比条件下的裂纹等间距数值模拟结果表明随主应力水平不同,裂纹模式由平行裂纹模式转变为多边形裂纹模式。从而表明RFPA3D-Parallel数值分析系统在岩石工程结构破坏分析领域具有广泛潜在的应用前景,它为岩石工程结构破裂过程分析提供了一个强有力的数值分析工具。
黄河[7]2006年在《基于地层信息的并行有限元研究与实现》文中认为本文以有限元分析为基础,结合叁维地层信息,综合应用演化算法以及并行计算方法进行了岩土工程专业的相关方法的综合集成研究,提出并建立了“基于地层信息的并行有限元智能集成分析”系统,实现面向岩土专业分析功能的系统信息可视化、智能化、并行化、集成化研究。本文主要研究内容概括如下:1.考虑地层信息来源的工程特点,提出了通过等高线、钻孔数据和工程地质剖面图的地层信息模型的生成方法,建立一种基于数字高程模型的叁维格网,实现了基于栅格的有限元网格的初步生成。2.本文在COW (a cluster of workstations)平台上通过面向对象方法、C++技术,运用MPI函数编写了叁维并行有限元的代码,建立并实现了有关描述有限元模型的类。其中综合运用了区域分解算法,并行共轭梯度法,以及CSR (Compressed Sparse Row)压缩矩阵等方法。本文提出并实现了结合应力释放方法和空气单元方法的并行有限元方法来进行开挖过程的模拟。3.本文引入一种新型的全局优化算法—微分演化算法,并进行了相应的改进,综合集成有限元和并行算法,编制了“微分演化并行有限元智能位移反分析”方法的程序,提高了岩土工程数值反演计算的速度与精度,使得大规模参数识别问题的并行求解成为可能。4.对基于叁维地层的并行有限元智能分析系统进行了集成研究,探讨了集成分析系统的总体设计并介绍了系统的功能实现。本系统是利用VC++和DirectX开发工具,基于动态链接库和控件编程的思想,基于工作站机群(COW)环境,开发的独立底层、自主版权集成分析软件。5.通过龙滩水电站的实际应用,证明了叁维地层信息系统与并行有限元分析方法以及演化反分析方法的集成的有效性和实用性。
赖俊杰, 何吉, 向前[8]2015年在《高性能计算在水工结构工程数值仿真中的应用进展》文中指出从当前水工数值仿真中面临的问题入手,总结了水工数值仿真中有限元并行计算的3个策略:方程组并行求解、区域分解、EBE方法;比较了实现并行计算采用PC网络机群、高性能计算集群、GPU通用计算的优缺点,指出了GPU集群将成为水工数值计算的新的硬件基础.并着重阐述了高性能计算在高拱坝地震损伤计算、拱坝-地基系统的有限元计算、闸门结构分析和随机有限元等水工数值仿真问题中的应用.最后探讨了云计算在水工数值仿真中的应用,并指出云计算将成为水工数值仿真,尤其是水工实时监测与反馈分析新的发展方向.
王晓睿, 张振, 贾晓风[9]2015年在《基于高性能并行计算的隧道开挖数值模拟》文中提出随着岩土工程规模的不断扩大、复杂性的增加以及计算参数的多样化和计算精度的提高,人们对于计算机计算能力的要求越来越高,然而单处理器无法满足这类大规模计算.从数据输入、区域分解、线性方程组的迭代求解、后处理等方面详细阐述高性能计算平台上并行有限元求解大规模岩土工程的关键问题.提出了利用MPI2的新特性进行海量数据的分段并行读入,采用ParMetis软件并行地进行区域分解,实现了前处理过程的完全并行化;采用基于Jacobi预处理技术的预处理共轭梯度法(PCG)进行线性方程组的并行迭代求解;采用Paraview软件实现了后处理的并行可视化.在深腾7000系统上对某隧道工程的叁维开挖过程进行了数值模拟,对其并行性能进行了分析和评价,验证了采用的区域分解算法和系统方程组的求解方法的可行性,并且具有较高的加速比和并行效率.
李根[10]2011年在《基于模拟的水岩耦合变形破坏过程及机理研究》文中提出水岩耦合变形破坏的本质就是固体材料的损伤破坏过程与流体的湍流问题,而这是物理力学中公认的世纪难题。水岩耦合变形破坏除了是基础科学中的前沿和热点课题外,也是许多应用研究中的核心内容和亟需解决的关键问题,如水压致裂。同时,水压致裂又是资源开采、能源开发等诸多工程领域里必须要面对的核心问题。因此说,水岩耦合变形破坏问题占据着科学与应用研究的核心位置,意义重大。本文以数值模拟为基本研究手段,以当前研究中面临的一些具体问题和挑战为背景,以系统形成有效分析方法并实现工具化为基本出发点,以水压致裂研究中的两个前沿课题(砂砾岩水压致裂和水压致裂过程全叁维计算)为研究对象,以深入认识裂纹扩展规律特性,揭示水岩耦合破坏机理机制为研究目标,以分析裂纹萌生、扩展和相互作用各阶段的特征形貌及一些关键指标为主要着眼点,开展了详细研究。完成了以下主要内容：(1)依托基于细观统计损伤理论发展起来的岩石破裂过程分析RFPA (Realistic Failure Process Analysis)方法,结合新建立的可考虑细观单元损伤诱致渗透系数演化模型,组成水-岩耦合细观统计损伤分析方法。对叁维圆柱模型在常水头差作用下变形破坏全过程进行了分析,并将所得结果与已有物理实验成果对比,不仅较好地反映出破坏形貌的基本特征,而且较好地反映出试件在弹性变形阶段渗透性减小、非线性变形阶段渗透性增大和脆性失稳时渗透性陡然激增等典型特性。同时,也反映出分析方法和理论模型的良好表现。(2)提供了从单元水平克服水(渗流)-岩(变形)全耦合方程组FEM (Finite Element Method)低阶单元求解发散的思路。并由此应用四边形面积坐标理论,结合广义协调原理和修正技术,从分区最小势能原理出发,构造了一款低阶平面四边形参变量新单元。继而对单元进行了广泛测评,结果表明：新单元不仅有效克服了求解发散,而且自身固体力学性能优良,使用灵活(通过参变量β调节)。同时,对缓解一个有限元难题(通过常应力／应变分片检验的四结点单元在弯曲问题中表现欠佳,而在弯曲问题中表现非常好的单元无法通过强分片检验)也提供了有益思路。(3)针对计算力学中的一个经典课题和CAE (Computer Aided Engineering)/CAM (Computer Aided Manufacturing)软件的关键技术之一,有限元大规模线性方程组的快速求解问题,给出一种极高效的改进对称超松弛预处理共轭梯度法(SSOR-CG)。该算法保持了原始算法的收敛稳健性和固有并行性。理想情况下比原始算法节约计算量近50%,且适用于高性能计算,具有固有的高效操作性。测试算例结果很好地证明了这一点。(4)针对国内目前尚没有专用于计算水岩耦合作用下损伤变形直至破裂全过程的并行应用程序系统,基于水-岩耦合细观统计损伤分析方法,依托Windows平台运行的RFPA主程序框架与在集群Linux平台上开发的多级混合并行FEM耦合计算程序(模块),组成水岩耦合损伤演化并行分析系统。通过算例测算了分析系统的并行FEM求解器性能,结果表明：在启动合理进程情况下计算可达最佳效果,加速比接近线性、效率较高,默认精度下千万自由度(300万单元)渗流-应力耦合一步计算稳定在200s左右。最后,采用该系统分别对两种不同属性的岩石试件单轴压缩过程展开精细模拟研究,从数值研究角度丰富了对细观岩石脆性损伤演化进程、裂纹扩展及相互作用规律的认识。(5)对砂砾岩水压致裂裂缝扩展机制特性问题进行了广泛而系统的研究,考虑的影响因素包括：不同砾石含量、砾石粒径、砾石力学性质和不同围压应力水平。着重研究了这些因素对模型起裂压力、失稳压力、裂纹形态和延伸规律的影响；深入剖析了裂纹起裂、扩展和相互作用过程中的力学机理；研究了Ⅰ、Ⅱ型裂纹的相互影响转化机制。最后,还通过建立的力学模型定性分析讨论了砾石含量、砾石力学性质和不同围压应力水平对应力集中、微裂纹分布和失稳压力的影响。(6)应用水岩耦合损伤演化并行分析系统,对实验室尺度模型进行了四种不同应力状态下的水压致裂过程全叁维数值模拟研究。分析了各应力状态下的裂缝延伸儿何形态规律,揭示了其中蕴含的机理机制。此外,还深入讨论了叁维裂缝扩展特征、影响因素、失稳与水力梯度场的关系以及声发射规律等问题。
参考文献：
[1]. 岩土大规模高性能并行有限元系统研究[D]. 张友良. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2003
[2]. 基于区域分解算法的岩土大规模高性能并行有限元系统研究[J]. 张友良, 冯夏庭, 茹忠亮. 岩石力学与工程学报. 2004
[3]. 叁维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究[D]. 梁正召. 东北大学. 2005
[4]. 基于PETSc的并行计算及在基坑工程中的应用[D]. 狄东超. 上海交通大学. 2013
[5]. 叁维进化弹塑性并行有限元反分析系统研究[D]. 茹忠亮. 东北大学. 2004
[6]. 岩石破裂过程分析并行计算方法研究[D]. 张永彬. 东北大学. 2007
[7]. 基于地层信息的并行有限元研究与实现[D]. 黄河. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2006
[8]. 高性能计算在水工结构工程数值仿真中的应用进展[J]. 赖俊杰, 何吉, 向前. 武汉大学学报(工学版). 2015
[9]. 基于高性能并行计算的隧道开挖数值模拟[J]. 王晓睿, 张振, 贾晓风. 地球科学(中国地质大学学报). 2015
[10]. 基于模拟的水岩耦合变形破坏过程及机理研究[D]. 李根. 大连理工大学. 2011
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