度 0.2m/s，邊界與顆粒的剛度比為1，在強度（strength)設置中壓縮強度為2. 4MPa，彎曲強 度為1. 5MPa，海冰和海冰的密度分別為920Kg/m3和1035Kg/m 3,水深3m，冰面右邊緣的位置 (-1,0)，水流速度0.2m/s。然后點擊結構（Structure)選擇圓柱直立腿結構（切l(wèi)inder)， 粧腿的直徑為0. 75m，高度為6m，點擊粧腿數目及位置選項（Multi_leg Distribution)選 擇1個粧腿，設置粧腿下底面中屯、位置為（〇,〇,〇)。為了顯示粧腿上壓力分布可W對粧腿 設置局部壓力網格（Local Pressure)將粧腿沿軸向和周向方向劃分若干等份，局部網格 的高度為2m，軸線的數量是10,周向上每個扇形等份的角度為30°。然后設置粧腿的質量 中屯、0)，0, 3)，質量1. 6X 107,剛度7. 5X 106,阻巧系數0. 07,轉動慣量4. 0X 109,轉動剛度 1.0Xl〇8,轉動阻巧系數0.07。
[0061] 點擊"Element"設置離散單元顆粒性質，彈性模量1.0X109,顆粒間摩擦系數0. 1， 顆粒間回彈系數為0. 3,顆粒與結構間摩擦系數為0. 2,顆粒與結構回彈系數0. 3,顆粒的法 向與切向剛度比0. 1，法向和切向的阻巧比0. 5,微觀拉伸強度與宏觀彎曲強度的比0. 2,微 觀剪切強度與宏觀壓縮強度的比0. 32。
[0062] 完成模型參數的輸入后，點擊預覽（Preview),檢查建立的海冰與結構模型，確定 無誤后點擊完成（Finish),繼續(xù)點擊計算（Calculate)開始數值計算。計算開始前要設置 計算時間長度（Total Time) 25s，輸出顯示動畫的次數（Print St巧)30,輸出冰載荷的頻率 (Force化equen巧）100化。繼續(xù)點擊計算（Calculate),彈出程序運行窗口。根據計算機配 置選擇顯卡，單一顯卡時輸入"0"點回車鍵，程序開始運行，可在窗口中查看程序運行進度。 程序運行中切勿關閉窗口，待計算結束時窗口自動關閉。
[0063] 點擊"后處理"按鈕，彈出輸入動畫文件的對話框，選擇計算得到的=維動畫數據 ANIMTI0N_3D.DAT,具體文件格式要求，可W在主界面的"幫助"選項中查看。調入動畫文 件后，點擊開始按鈕查看動畫。通過調節(jié)動畫播放控制按鈕，實現動畫播放，動畫復位，動畫 快退，動畫暫停，動畫快進，保存當前畫面圖片（jpg,bmp格式），保存動畫視頻（avi格式）， 動畫自動旋轉，冰載荷結果時程曲線，結構位移時程曲線及結構振動時程曲線。在"Colors" 中可W選擇顆粒顏色代表的不同物理意義包括速度，顆粒直徑，內力，切向力和法向力等， 點擊顏色條，更換顏色。顆粒顏色代表數值的大小，顏色越偏向紅色，所代表的數值越大；反 之，越偏向藍色表示數值越小。"Scaling"調節(jié)視圖的位置和畫面的放大縮小/'Timest巧" 調節(jié)動畫的播放速度，"BeginningAngle"是動畫播放時的初始角度。同時還可通過單擊鼠 標左鍵可W在調節(jié)圖像位置區(qū)域或直接拖拉圖像，選擇合適的觀察角度。由此實現對海冰 與海洋結構相互作用破碎過程和冰載荷的數值模擬。
[0064] 整個軟件系統可視為由模型建立，數值計算，結果顯示等=大應用模塊構成，采用 上述的離散元算法，為用戶提供了綜合型集成化的海冰與海洋結構相互作用的分析平臺。
【主權項】
1. 一種海冰-海洋結構相互作用的離散元高性能仿真系統，其特征在于，包括建立模 型、數值計算和結果顯示，步驟如下： (一） 建立模型：建立的模型包括海冰的離散元模型和海洋結構模型 海冰的離散元模型：海冰分為平整冰、浮冰和冰脊，海冰的參數包括海冰區(qū)域的長、寬、 厚度、位置、溫度、鹽度、壓縮強度、彎曲強度、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；還包括密集度和單塊浮冰的平均尺寸； 海冰的離散元模型由球型顆粒通過六邊形的排列方式構成，球型顆粒的參數包括粒徑 大小、楊氏模量、顆粒間的摩擦系數、顆粒與結構摩擦系數、顆粒與結構的回彈系數、顆粒間 切向和法向的剛度比和阻尼比、宏觀冰的彎曲強度與微觀顆粒法向粘結強度比以及宏觀冰 的壓縮強度與微觀顆粒切向粘結強度的比； 海洋結構模型：包括直立腿、椎體和復雜結構，其中復雜結構需要調入；海洋結構模型 的參數包括粧腿直徑、高度、個數、中心位置、質量、剛度、阻尼系數、轉動慣量、轉動剛度和 轉動阻尼系數； 仿真模型中海冰的離散元模型和海洋結構模型的參數根據海冰和海洋結構的尺寸和 力學性能設定，以此建立海冰與海洋結構的數值模型； (二） 確定海冰的離散元模型的接觸力模型、平行粘接模型及粘接強度 (a)接觸力模型 在兩個顆粒相互碰撞過程中，考慮顆粒間因相對速度和彈性變形而引起的黏彈性作用 力，采用Mohr-Coulomb摩擦定律計算接觸顆粒之間的接觸力； 在接觸力模型中，兩個顆粒間的作用力？"包括彈性力和粘滯力兩部分，分為法向力和 切向力，按下式計算： Fn=K,,\-C,X, (1) 式中，MJPMB為顆粒A和B的質量，K"和Ks分別是法向和切向剛度系數，C"和Cs是法 向和切向阻尼系數，U是摩擦系數；\和<分別為顆粒的法向變形和應變率； 兩個顆粒間的切向力由彈性和粘滯兩部分組成，且滿足Mindline理論和Mohr-Coulomb摩擦定律，切向接觸力為<式中，Xs和之分別為顆粒的切向變形和應變率；兩個顆粒碰撞的法向有效剛度系數心為 (2) 0) 式中，< 和C分別為顆粒A和B的剛度系數； 法向阻尼系數Cn按下式計算，即 (4) Ca=Cay[2MK^(5) 這里無量綱法向阻尼系數（"為 , -Ine + \n2 e (6) 式中，M為兩顆粒單元的有效質量的和，e為回彈系數；切向和法向剛度、阻尼系數有如 下關系：KS=aKn，Cs= |3Cn，這里取a= 〇? 5，|3 = 0? 0 ; 在線性接觸模型中，計算步長取時間步長為二元接觸時間的1/50 ;該二元接觸時間Tb。 定義為(7) 式中，Tb。為二元接觸時間，即兩個顆粒從碰撞到分離的接觸時間；在線粘彈性模型中， 它是一個與顆粒大小和材料性質相關的常數； (b) 平行粘接模型 平行粘接模型：在兩個粘接顆粒間設定一個彈性粘接圓盤，圓盤傳遞兩個顆粒間的作 用力和力矩，即拉力、剪力、彎矩和扭矩；力和力矩分解為法向分量和切向分量分,.(8) (9) 式中，斤力;1和療心;分別是法向分量和切向分量； 在平行粘接模型中，粘接圓盤上的最大拉應力和剪應力依據梁的拉伸、扭轉和彎曲理 論：(10) (11) 式中，A、J和I分別為平行接觸圓盤的面積、極慣性矩和慣性矩，有J= / =l./2;z_P4 , / = 1/4J4，其中歹為粘接圓盤的半徑；當最大拉應力和剪應力超過其拉伸 強度和剪切強度時粘接單元將斷開； (c) 粘結強度 在海冰材料的離散單元模型中，顆粒間的粘接強度是影響計算結果的關鍵參數；考慮 顆粒的大小對粘接力的影響，設定顆粒間的粘接強度為 (12) 式中，〇b為粘接強度，C為粘接單元破碎時的最大拉力，粘接面積為A=itR2; 將顆粒間的粘接強度用顆粒間最大粘接強度表示，BP(13) 式中，e(Vb)為鹵水體積Vb影響下的海冰強度折減系數，顆粒間的最大粘接強度〃r 通過海冰單軸壓縮強度的敏度分析確定；考慮海冰的壓縮和彎曲強度與鹵水體積有相似的 對應關系，則有(14) 式中，Vb可設為海冰溫度和鹽度的函數，即)? 5°C多T多-22. 9°C (15) 式中，T為海冰溫度°C，S為海冰鹽度％。； 確定海冰離散元模型的接觸力模型、粘接模型及粘接強度包括顆粒搜索、接觸判斷、內 力疊加和位置更新四個步驟；首先根據顆粒的位置，判斷顆粒與顆粒之間的接觸對，計算每 個顆粒接觸對之間的接觸力及顆粒與結構的接觸力，再將上述的接觸力疊加到每個顆粒和 結構上，通過接觸力計算顆粒和結構的速度和位移，并更新顆粒和海冰結構的位置；在每個 時間間隔內循環(huán)上述過程，直到計算時間達到預設的計算總時長，循環(huán)停止；根據預設的結 果輸出頻率，記錄顆粒和結構的速度、加速度、位移和內力； 其中，顆粒間的接觸判斷采用網格單元法，首先對顆粒所占空間劃分網格單元，當顆粒 被分配到某一個單元內時，只有在同一單元或者直接相鄰的單元內的顆粒之間才進行接觸 判斷；該算法基于GPU-CUDA并行計算環(huán)境設計，該網格法允許一個網格內有多個顆粒；每 個網格的搜索范圍是以該網格為中心的3X3X3個網格，網格大小不能小于顆粒直徑； (三）結果顯示：海冰與海洋結構相互作用的計算輸出結果包括海冰顆粒的速度、加速 度、位移和顆粒間的接觸力以及結構的速度、加速度、轉速、位移和顆粒對結構的作用力；按 時間順序顯示顆粒和結構的計算結果，得到海冰與海洋結構相互作用過程中的破壞模式和 運動規(guī)律；此外，還得到冰力時程曲線，即海冰對結構的作用力隨時間變化的曲線。
【專利摘要】本發(fā)明屬于計算機應用技術領域，一種海冰-海洋結構相互作用的離散元高性能仿真系統。海冰-海洋結構相互作用的離散元高性能仿真系統采用三個步驟實現對海冰與海洋平臺結構作用的仿真，分別是建立模型，數值計算以及結果顯示。用戶可以直接在計算機終端設置海冰與海洋結構的參數并其相互作用，準確高效地獲得結構的冰荷載和振動響應等力學性能和可視化的三維結果動畫。從而使得基于GPU離散元數值分析對冰區(qū)海洋平臺的結構設計和疲勞分析具有實際的指導性意義。系統適用于環(huán)境、氣象、水文、工業(yè)、科研等多個涉及海冰與海洋結構相互作用的研究領域，界面友好，設計規(guī)范，具有良好的用戶體驗。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN104951601
【申請?zhí)枴緾N201510304347
【發(fā)明人】季順迎, 狄少丞, 王宇新, 龍雪
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月4日