一種海冰-海洋結(jié)構(gòu)相互作用的離散元高性能仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種針對(duì)海冰-海洋結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值 仿真方法，特別設(shè)及通過(guò)數(shù)值仿真系統(tǒng)基于GPU的并行高性能數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)海冰與海洋結(jié) 構(gòu)禪合作用的大規(guī)模離散元計(jì)算方法。通過(guò)構(gòu)造平整冰、碎冰、冰脊和堆積冰等不同的冰類(lèi) 型，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)、自升式平臺(tái)和浮式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰荷載及結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行高效、精 確的數(shù)值分析，為冰區(qū)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞分析提供參考依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在冰區(qū)的油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，海冰作為主要的環(huán)境荷載對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全有著重要 的影響。因此，冰區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要對(duì)冰荷載問(wèn)題有著明確的了解，例如冰的類(lèi) 型，冰與結(jié)構(gòu)作用時(shí)的破壞模式及冰載荷情況等。
[0003] 在海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程中，冰載荷是影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)和疲勞壽命 的重要因素。海洋結(jié)構(gòu)的冰載荷可W通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值方法得到。 其中，數(shù)值方法具備研究成本低、周期短等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于海冰與海洋結(jié)構(gòu)作用的冰 載荷分析。在數(shù)值分析中常用有限元方法計(jì)算海冰與海洋結(jié)構(gòu)作用，該方法可W處理相對(duì) 復(fù)雜的力學(xué)模型，但不能合理地模擬海冰的動(dòng)力破壞特性。而受到計(jì)算機(jī)硬件條件的制約， 大型離散元模型很難用CPU并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)。因此，發(fā)展高效的大規(guī)模離散元并行計(jì)算是解 決海冰與海洋結(jié)構(gòu)作用的一種有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明基于離散元法模擬海冰，計(jì)算海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用，得到冰荷載和結(jié) 構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，具有計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)顯示和繪制冰力時(shí)程曲線(xiàn)等功能，并通過(guò)采用GPU并行 計(jì)算的方式大幅提高計(jì)算效率。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] 一種海冰-海洋結(jié)構(gòu)相互作用的離散元高性能仿真系統(tǒng)，采用=個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)海 冰與海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)作用的仿真，分別是建立模型，數(shù)值計(jì)算W及結(jié)果顯示，具體如下：
[0007] (一）建立模型：建立的模型包括海冰的離散元模型和海洋結(jié)構(gòu)模型
[000引海冰的離散元模型；海冰分為平整冰、浮冰和冰脊，海冰的主要參數(shù)包括海冰區(qū)域 的長(zhǎng)、寬、厚度、位置、溫度、鹽度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、冰速、水面高度、海冰密度和海水密 度。浮冰的形狀有多邊形、圓形和矩形，其他參數(shù)包括密集度和單塊浮冰的平均尺寸。
[0009] 海冰的離散元模型由球型顆粒通過(guò)六邊形的排列方式構(gòu)成，球型顆粒的參數(shù)包括 粒徑大小、楊氏模量、顆粒間的摩擦系數(shù)、顆粒與結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)、顆粒與結(jié)構(gòu)的回彈系數(shù)、顆 粒間切向和法向的剛度比和阻巧比、宏觀冰的彎曲強(qiáng)度與微觀顆粒法向粘結(jié)強(qiáng)度比W及宏 觀冰的壓縮強(qiáng)度與微觀顆粒切向粘結(jié)強(qiáng)度的比。
[0010] 海洋結(jié)構(gòu)模型：包括直立腿、椎體和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要調(diào)入。海洋結(jié)構(gòu) 模型的參數(shù)包括粧腿直徑、高度、個(gè)數(shù)、中屯、位置、質(zhì)量、剛度、阻巧系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)剛 度和轉(zhuǎn)動(dòng)阻巧系數(shù)。
[0011] 仿真模型中海冰離散元模型和海洋結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)根據(jù)海冰和海洋結(jié)構(gòu)的尺寸 和力學(xué)性能設(shè)定，W此建立海冰與海洋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。
[0012] (二）數(shù)值計(jì)算；在采用離散單元模型計(jì)算海冰的動(dòng)力作用及破碎過(guò)程中，將海冰 離散為具有一定質(zhì)量和大小的顆粒單元，顆粒間具有相應(yīng)的粘接作用。該里對(duì)海冰離散元 模型中的接觸力模型、粘接模型及粘接強(qiáng)度的設(shè)定進(jìn)行介紹。
[0013] (a)顆粒間的接觸力模型
[0014] 在兩個(gè)顆粒相互碰撞過(guò)程中，考慮顆粒間因相對(duì)速度和彈性變形而引起的黏彈性 作用力，采用Mohr-Coulomb摩擦定律計(jì)算接觸顆粒之間的接觸力，如圖1所示。其中，Ma和 Mb為顆粒A和B的質(zhì)量，K濟(jì)K ,分別是法向和切向剛度系數(shù)，C濟(jì)C點(diǎn)法向和切向阻巧系 數(shù)，y是摩擦系數(shù)。
[0015] 在線(xiàn)性接觸模型中，兩個(gè)顆粒間的作用力包括彈性力和粘滯力兩部分，又可分為 法向力和切向力，按下式計(jì)算：
[0016]
(1)
[0017] 式中，X。和i：n分別為顆粒的法向變形和應(yīng)變率。
[0018] 兩個(gè)顆粒間的切向力也由彈性和粘滯兩部分組成，且滿(mǎn)足Mindl ine理論和 Mo虹-Coulomb摩擦定律，切向接觸力為
[0021] 式中，Xs和兩：分別為顆粒的切向變形和應(yīng)變率。
[0022] 兩個(gè)顆粒碰撞的法向有效剛度系數(shù)為
[0023] (4)
[0024] 式中，C和皆分別為球單元A和B的剛度系數(shù)。
[0025] 法向阻巧系數(shù)按下式計(jì)算，即
[0026]
(5)
[0027] 該里無(wú)量綱法向阻巧系數(shù)為
[002引 丫、 (6)
[0029] 式中，M為兩顆粒單元的有效質(zhì)量，e為回彈系數(shù)。切向和法向剛度、阻巧系數(shù)有如 下關(guān)系；Ks=曰 K。，Cs= 0 C。，該里取曰=0. 5，0 = 0. 0。
[0030] 在線(xiàn)性接觸模型中，計(jì)算步長(zhǎng)一般取時(shí)間步長(zhǎng)為二元接觸時(shí)間的1/50。該二元接 觸時(shí)間定義為 (7)
[0031]
[0032] 式中，Tb。為二元接觸時(shí)間，即兩個(gè)球單元從碰撞到分離的接觸時(shí)間。在線(xiàn)粘彈性 模型中，它是一個(gè)與顆粒大小和材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。
[0033] 化）平行粘接模型
[0034] 平行粘接就是在兩個(gè)粘接顆粒間設(shè)定一個(gè)彈性粘接圓盤(pán)，如圖2所示。圓盤(pán)可W 傳遞兩個(gè)顆粒間的粘接力和力矩，即拉力、剪力、彎矩和扭矩。并且W上粘接力F和力矩M 都可W分解為法向分量和切向分量
[0037] 式中巧，M；：和巧，分別是力和力矩的法向分量和切向分量。
[003引在平行粘接模型中，粘接圓盤(pán)上的最大拉應(yīng)力0max和剪應(yīng)力Tm。,依據(jù)梁的拉伸、 扭轉(zhuǎn)和彎曲理論有
[0041] 式中，A、J和I分別為平行接觸圓盤(pán)的面積、極慣性矩和慣性矩，有A= 31r2，J= 1/2 31R4,J= 1/4 31R4,其中R為粘接圓盤(pán)的半徑。當(dāng)最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超過(guò)其拉伸強(qiáng)度 和剪切強(qiáng)度時(shí)粘接顆粒將斷開(kāi)。
[0042] (C)粘結(jié)強(qiáng)度的確定
[0043] 在海冰材料的離散單元模型中，顆粒的粘接強(qiáng)度是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)?？?慮計(jì)算中顆粒的大小對(duì)粘接力的影響，該里設(shè)定顆粒間的粘接強(qiáng)度為 閨
（。）
[0045] 式中，。b為粘接強(qiáng)度，巧為粘接單元破碎時(shí)的最大拉力。該里取粘接面積為A= 31 R2。
[0046] 試驗(yàn)結(jié)果表明，海冰單軸壓縮強(qiáng)度是海冰面水體積（溫度、鹽度）、加載速率等因 素的函數(shù)te'W。在主要考慮面水體積影響的情況下，可將顆粒間的粘接強(qiáng)度用顆粒間最大 粘接強(qiáng)度卻""隸示，即
[0047]
(13)
[0048] 式中，0 (Vb)為面水體積Vb影響下的海冰強(qiáng)度折減系數(shù)。顆粒間的最大粘接強(qiáng)度 可通過(guò)海冰單軸壓縮強(qiáng)度的敏度分析進(jìn)行確定。考慮海冰的壓縮和彎曲強(qiáng)度與面水體 積有相似的對(duì)應(yīng)關(guān)系^93,則有
[0049]
(14)
[0化日]式中，Vb可設(shè)為海冰溫度和鹽度的函數(shù)，即
[0化1]
(15)
[005引式中，T為海冰溫度（°C )，S為海冰鹽度（％0 )。
[0化3] 數(shù)值計(jì)算過(guò)程主要包括顆粒捜索、接觸判斷、內(nèi)力疊加和位置更新四個(gè)步驟。首先 根據(jù)顆粒的位置，判斷顆粒與顆粒之間的接觸對(duì)，計(jì)算每個(gè)顆粒接觸對(duì)之間的接觸力及顆 粒與結(jié)構(gòu)的接觸力，再將上述的接觸力疊加到每個(gè)顆粒和結(jié)構(gòu)上，通過(guò)接觸力計(jì)算顆粒和 結(jié)構(gòu)的速度和位移，并更新顆粒和海冰結(jié)構(gòu)的位置。在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)上述過(guò)程，直到 計(jì)算時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)，循環(huán)停止。根據(jù)預(yù)設(shè)的結(jié)果輸出頻率，記錄顆粒和結(jié)構(gòu)的 速度、加速度、位移和內(nèi)力。
[0化4] 其中，顆粒間的接觸判斷采用網(wǎng)格單元法扣niform Grid),首先對(duì)顆粒所占空間 劃分網(wǎng)格單元，當(dāng)顆粒被分配到某一個(gè)單元內(nèi)時(shí)，只有在同一單元或者直接相鄰的單元內(nèi) 的顆粒之間才進(jìn)行接觸判斷。該算法基于GPU并行計(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)格法相比，該 網(wǎng)格法允許一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有多個(gè)顆粒。每個(gè)網(wǎng)格的捜索范圍是W該網(wǎng)格為中屯、的3X3X3個(gè) 網(wǎng)格，所W網(wǎng)格大小不能小于顆粒直徑。該種方法有效地提高了離散元法中顆粒接觸判斷 的效率，更加適合大運(yùn)算量的并行環(huán)境。
[0055](=)結(jié)果顯示：海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用的計(jì)算輸出結(jié)果包括海冰顆粒的速度、 加速度、位移和顆粒間的接觸力W及結(jié)構(gòu)的速度、加速度、轉(zhuǎn)速、位移和顆粒對(duì)結(jié)構(gòu)的作用 力。按時(shí)間順序顯示顆粒和結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，可W得到海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程中的 破壞模式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此外還可得到冰力時(shí)程曲線(xiàn)，即海冰對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力隨時(shí)間變化的 曲線(xiàn)。
[0056] 本發(fā)明的效果和益處是，用戶(hù)可W直接在計(jì)算機(jī)終端設(shè)置海冰與海洋結(jié)構(gòu)的參數(shù) 并其相互作用，準(zhǔn)確高效地獲得結(jié)構(gòu)的冰荷載和振動(dòng)響應(yīng)等力學(xué)性能和可視化的=維結(jié)果 動(dòng)畫(huà)。從而使得基于GPU并行算法的離散元數(shù)值分析對(duì)冰區(qū)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞分 析具有實(shí)際的指導(dǎo)性意義。系統(tǒng)適用于環(huán)境、氣象、水文、工業(yè)、科研等多個(gè)設(shè)及海冰與海洋 結(jié)構(gòu)相互作用的研究領(lǐng)域，界面友好，設(shè)計(jì)規(guī)范，具有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0057] 圖1是兩個(gè)顆粒單元間的接觸力模型。
[0化引圖2是兩個(gè)顆粒單元間的平行粘結(jié)模型。
[0059] 圖3是本發(fā)明的海冰與海洋平臺(tái)相互作用的程序流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] W平整冰海冰與單個(gè)直立腿結(jié)構(gòu)相互作用為例，首先打開(kāi)前處理模塊 (Preprocess)設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊海冰（Sea Ice)選擇平整冰（Level)，海冰的長(zhǎng)寬為 lOmXlOm，冰厚0.2m，冰層數(shù)為1，在邊界條件炬oundary Condition)中設(shè)置邊界速