超算有限元分析系統SciFEA—地質與地球物理行業應用解決方案

1、行業計算模擬現狀

隨著計(ji)算(suan)(suan)機技(ji)術的(de)(de)發展以及觀(guan)(guan)測水平的(de)(de)提高，數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)模擬在地質(zhi)研究中得到越來越多的(de)(de)應用。以前必須通過實地觀(guan)(guan)測和試驗才(cai)能得到的(de)(de)結果，可(ke)以通過計(ji)算(suan)(suan)機數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)模擬來實現；很多不可(ke)重復的(de)(de)過程(cheng)，例如地球(qiu)動力學(xue)演化、大尺度長時間的(de)(de)緩慢運動等問題，同樣可(ke)以通過數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)計(ji)算(suan)(suan)來重現；而且數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)法已成(cheng)為大多數(shu)(shu)反(fan)演過程(cheng)不可(ke)缺少的(de)(de)重要組成(cheng)部分。

在眾多(duo)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)方(fang)(fang)法中，有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)方(fang)(fang)法以其嚴謹的(de)(de)(de)(de)理(li)論、方(fang)(fang)便(bian)的(de)(de)(de)(de)操作(zuo)、相(xiang)對可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)結果、利于計算機實現，尤其能(neng)夠(gou)方(fang)(fang)便(bian)的(de)(de)(de)(de)實現復雜幾何模型下(xia)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)計算分析等優(you)點，在地(di)(di)(di)質(zhi)模擬(ni)中得到廣泛的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)。在資源勘探、地(di)(di)(di)球動力(li)學(xue)(xue)、地(di)(di)(di)震(zhen)學(xue)(xue)等地(di)(di)(di)球科學(xue)(xue)研究中，很多(duo)學(xue)(xue)者利用(yong)有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)方(fang)(fang)法取得了(le)顯著的(de)(de)(de)(de)成果。但是(shi)我們(men)注意(yi)到，地(di)(di)(di)質(zhi)中不斷提(ti)出(chu)的(de)(de)(de)(de)問題對有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)要求也越(yue)來(lai)越(yue)高，有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)數值(zhi)方(fang)(fang)法的(de)(de)(de)(de)完善反過來(lai)大大促進了(le)地(di)(di)(di)質(zhi)科學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展。基于多(duo)物理(li)耦合的(de)(de)(de)(de)高性能(neng)有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)數值(zhi)模擬(ni)必(bi)將在地(di)(di)(di)震(zhen)波(bo)場(chang)數值(zhi)模擬(ni)、現代地(di)(di)(di)質(zhi)運動、地(di)(di)(di)震(zhen)孕育與觸發(fa)、盆(pen)地(di)(di)(di)演化、地(di)(di)(di)幔對流等方(fang)(fang)面發(fa)揮(hui)越(yue)來(lai)越(yue)顯著的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。

2、超算解決方案

SciFEA軟件提供(gong)的固體彈(dan)性、彈(dan)塑性、粘彈(dan)性模(mo)塊(kuai)、熱固耦合模(mo)型(xing)、孔隙(xi)介(jie)質模(mo)型(xing)、結構(gou)單元（桿、梁、板、殼）、彈(dan)簧單元、傳熱模(mo)塊(kuai)（穩態、瞬(shun)態）、點對(dui)(dui)單元、接觸模(mo)塊(kuai)等，可(ke)以直(zhi)接滿足地(di)(di)質行業地(di)(di)震勘探、現代地(di)(di)質運動、盆地(di)(di)演化、地(di)(di)幔(man)對(dui)(dui)流方面的計算需求。

超算科技為用(yong)戶提供(gong)針對地(di)質(zhi)(zhi)計算模擬(ni)的(de)(de)特定的(de)(de)處(chu)理技術(shu)，如(ru)考(kao)(kao)(kao)慮地(di)質(zhi)(zhi)的(de)(de)非(fei)均勻性(xing)(xing)；考(kao)(kao)(kao)慮地(di)質(zhi)(zhi)體的(de)(de)生成與剝(bo)蝕；考(kao)(kao)(kao)慮冪率流體、彈塑性(xing)(xing)損傷等(deng)(deng)材料(liao)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)；考(kao)(kao)(kao)慮地(di)質(zhi)(zhi)的(de)(de)褶皺等(deng)(deng)幾何(he)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)；考(kao)(kao)(kao)慮不同地(di)質(zhi)(zhi)體之間的(de)(de)碰(peng)撞、摩擦等(deng)(deng)邊界非(fei)線(xian)性(xing)(xing)問題；考(kao)(kao)(kao)慮大尺度地(di)幔對流時任(ren)意拉格朗日－歐拉描述(shu)；考(kao)(kao)(kao)慮地(di)震破裂(lie)的(de)(de)節點(dian)分裂(lie)、地(di)震波傳播模擬(ni)的(de)(de)吸收邊界、譜有限元技術(shu)等(deng)(deng)。

為滿足用戶計算結果分(fen)(fen)析(xi)的(de)(de)需要，超(chao)算科技(ji)提(ti)供可(ke)考慮不同(tong)時刻的(de)(de)斷層(ceng)啟動、傾(qing)斜斷層(ceng)、地(di)表不均勻(yun)地(di)形(xing)、不均勻(yun)的(de)(de)地(di)溫分(fen)(fen)布；可(ke)輸(shu)出區(qu)域(yu)任意(yi)點(dian)的(de)(de)變形(xing)速度(du)、任意(yi)方位的(de)(de)庫(ku)侖應(ying)力(li)、可(ke)用戶自定義摩擦模型和斷裂準則。

超算地質行業解決方案圖

為滿足(zu)用(yong)戶(hu)大規模計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)的需要，超算(suan)(suan)科(ke)技提供用(yong)戶(hu)定(ding)制化的并(bing)行計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)模塊開發和(he)并(bing)行計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)咨詢(xun)服務。并(bing)行計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)可以根據用(yong)戶(hu)預算(suan)(suan)的情況提供基(ji)于機群(qun)的MPI并(bing)行和(he)基(ji)于GPU的眾核并(bing)行兩(liang)種解決方案(an)。

3、應用案例

板(ban)塊推擠粘彈塑(su)性接(jie)觸(chu)模擬分析

中國科學院青藏(zang)高原研究所為研究板(ban)塊推(tui)擠過程，采用(yong)彈塑性(xing)(xing)和(he)粘彈性(xing)(xing)相(xiang)結合的(de)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)。上地(di)殼采用(yong)彈塑性(xing)(xing)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)，屈服(fu)準(zhun)則采用(yong)D-P準(zhun)則和(he)Von-Mises準(zhun)則；粘彈性(xing)(xing)用(yong)Maxwell模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)。模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)要求考慮速度邊(bian)(bian)界(jie)、靜水(shui)壓力邊(bian)(bian)界(jie)、彈簧(huang)邊(bian)(bian)界(jie)三種邊(bian)(bian)界(jie)條(tiao)件。按庫侖接觸準(zhun)則考慮斷層的(de)接觸效(xiao)應，同時摩擦系(xi)數可(ke)(ke)(ke)隨時間變化(hua)。為考慮溫度場對(dui)地(di)殼巖石特性(xing)(xing)的(de)影響和(he)地(di)形(xing)(xing)(xing)變化(hua)對(dui)變形(xing)(xing)(xing)與應力的(de)影響，可(ke)(ke)(ke)以(yi)根據數據文(wen)件給定(ding)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)的(de)溫度場和(he)地(di)形(xing)(xing)(xing)。計算模(mo)(mo)(mo)擬時邊(bian)(bian)值、粘度可(ke)(ke)(ke)以(yi)隨時間變化(hua)，可(ke)(ke)(ke)以(yi)用(yong)函數的(de)形(xing)(xing)(xing)式(shi)，也(ye)可(ke)(ke)(ke)以(yi)用(yong)分段的(de)形(xing)(xing)(xing)式(shi)加以(yi)定(ding)義。

塑性-粘彈性接觸變形

 塑性-粘彈性接觸應力

地震位錯下孔隙介質變形與應力分析

中國科學院地(di)(di)(di)(di)質(zhi)與地(di)(di)(di)(di)球所為模(mo)(mo)擬(ni)(ni)地(di)(di)(di)(di)震(zhen)位(wei)(wei)錯發生時的(de)孔(kong)(kong)隙(xi)壓力(li)、地(di)(di)(di)(di)應力(li)的(de)變化(hua)，要求(qiu)采用孔(kong)(kong)隙(xi)彈性本構(gou)關系，基于Biot固結理論考(kao)慮(lv)流固耦合的(de)影響，模(mo)(mo)擬(ni)(ni)在(zai)給定的(de)地(di)(di)(di)(di)震(zhen)位(wei)(wei)錯條件下庫侖應力(li)隨(sui)時間的(de)變化(hua)、孔(kong)(kong)隙(xi)壓力(li)隨(sui)時間的(de)變化(hua)。計算考(kao)慮(lv)；靜水壓力(li)；流體流量三種邊界條件，同時采用節點分裂(lie)法由地(di)(di)(di)(di)震(zhen)反演(yan)得到的(de)位(wei)(wei)錯數據模(mo)(mo)擬(ni)(ni)發震(zhen)和震(zhen)后地(di)(di)(di)(di)質(zhi)變形演(yan)化(hua)和庫侖應力(li)、孔(kong)(kong)隙(xi)壓力(li)演(yan)化(hua)。通過(guo)模(mo)(mo)擬(ni)(ni)反映(ying)了孔(kong)(kong)隙(xi)壓力(li)在(zai)震(zhen)后的(de)規(gui)律(lv)性變化(hua)。

地震位錯后的孔隙壓力變化

三維地質建模

4、攜手計算

地質計算由于物性、參數、邊界條件的許多不確定性，對于地質的模擬相當困難，所以地質行業有許多挑戰性的課題。超算科技將攜手廣大科技工作者結合理論、實驗和數值模擬共同面對這樣的挑戰。結合超算科技計算模擬技術積累，我們希望在以下具體的開發方向上和您攜手進行計算模擬分析與研究。
基于有限元的地震波模擬；
巖石損傷與破裂機理模擬；
地震孕育與觸發機理模擬；
孔隙介質變形與動力過程模擬；
地震發生的力學穩定性問題；
地震導致的強地面運動分析；
地質運動(dong)與前陸(lu)盆地形成機理(li)研究。