超算有限元分析系統SciFEA—建筑結構行業應用解決方案

1、行業計算模擬現狀

建筑(zhu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)工(gong)(gong)程(cheng)作(zuo)為最早(zao)(zao)期的(de)(de)(de)工(gong)(gong)程(cheng)學科之一涵蓋(gai)著相當(dang)(dang)廣泛的(de)(de)(de)科學技(ji)術領域。從土木建筑(zhu)、橋梁結(jie)(jie)(jie)構(gou)、水工(gong)(gong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)，到公路、隧(sui)道、地(di)(di)下工(gong)(gong)程(cheng)等方面都(dou)離(li)不(bu)開(kai)結(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)設計(ji)與(yu)計(ji)算分(fen)析(xi)。計(ji)算模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)在這(zhe)一領域起(qi)步(bu)最早(zao)(zao)、發(fa)展最快。國(guo)外大(da)(da)型模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)軟(ruan)件大(da)(da)都(dou)是從滿足結(jie)(jie)(jie)構(gou)計(ji)算開(kai)始的(de)(de)(de)。目(mu)前(qian)，數值模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)在建筑(zhu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)行業發(fa)展的(de)(de)(de)相當(dang)(dang)成熟，不(bu)僅有大(da)(da)量的(de)(de)(de)通用模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)軟(ruan)件、而(er)且(qie)還有眾多(duo)的(de)(de)(de)針對某個專業需求的(de)(de)(de)數值模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)軟(ruan)件可供選擇。但目(mu)前(qian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)工(gong)(gong)程(cheng)數值模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)方面主要(yao)的(de)(de)(de)困(kun)難(nan)表現(xian)在以下兩個方面：一是物理場耦(ou)合(he)分(fen)析(xi)開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)難(nan)度(du)大(da)(da)，很多(duo)方面工(gong)(gong)作(zuo)才剛(gang)剛(gang)起(qi)步(bu)，如熱舒適環(huan)境(jing)優(you)化設計(ji)與(yu)火(huo)災熱影響(xiang)分(fen)析(xi)、車輛橋梁耦(ou)合(he)分(fen)析(xi)、風橋耦(ou)合(he)非(fei)線性分(fen)析(xi)、海洋結(jie)(jie)(jie)構(gou)海浪沖擊-海水腐蝕共同(tong)作(zuo)用分(fen)析(xi)等。二是和建筑(zhu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)緊密相連(lian)的(de)(de)(de)地(di)(di)基與(yu)基礎建模(mo)(mo)分(fen)析(xi)，國(guo)內外的(de)(de)(de)很多(duo)工(gong)(gong)程(cheng)往往因(yin)為地(di)(di)基和基礎處理的(de)(de)(de)不(bu)正確(que)而(er)導致(zhi)建筑(zhu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)工(gong)(gong)程(cheng)的(de)(de)(de)失效和破壞。萬(wan)丈高樓平(ping)地(di)(di)起(qi)，地(di)(di)的(de)(de)(de)問題很復(fu)雜，性質(zhi)多(duo)變，在計(ji)算模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)上通過模(mo)(mo)型把握(wo)有不(bu)小的(de)(de)(de)困(kun)難(nan)，需要(yao)綜合(he)考慮的(de)(de)(de)因(yin)素很多(duo)，這(zhe)對計(ji)算模(mo)(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)也(ye)提出了很大(da)(da)的(de)(de)(de)挑(tiao)戰。

2、解決方案

SciFEA軟件提(ti)供的固體(ti)彈(dan)性、彈(dan)塑性、粘彈(dan)性模塊、熱固耦合模型(xing)、孔隙介質模型(xing)、結構(gou)單元（桿、梁、板、殼）、彈(dan)簧單元、傳熱模塊（穩態、瞬態）、點對單元、接(jie)觸模塊、滲流模塊、流固耦合模塊等，可以直接(jie)滿足建(jian)筑結構(gou)行業上(shang)部結構(gou)、基礎、地基、地下結構(gou)等方面的計算需求(qiu)。

超算科(ke)技針對結(jie)構中(zhong)計算中(zhong)、特別是結(jie)構地基與(yu)軟弱層(ceng)(ceng)(ceng)方面模(mo)擬(ni)(ni)(ni)的(de)復雜性(xing)，提(ti)供專業化軟件(jian)定(ding)制。可(ke)以模(mo)擬(ni)(ni)(ni)考慮不同(tong)的(de)巖(yan)土(tu)結(jie)構、孔隙、密度(du)、應(ying)力歷(li)史、荷(he)載特征、孔隙水及時間效應(ying)。可(ke)以為用戶提(ti)供的(de)計算元素包括(kuo)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)原(yuan)始地應(ying)力場、滲流場；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)復雜的(de)地質(zhi)構造（地層(ceng)(ceng)(ceng)、斷(duan)層(ceng)(ceng)(ceng)、軟弱結(jie)構面）、巖(yan)層(ceng)(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)(ceng)狀模(mo)型；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)施工(gong)(gong)過(guo)程和施工(gong)(gong)方法、分層(ceng)(ceng)(ceng)分部位開挖建(jian)造；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)噴(pen)混凝(ning)(ning)土(tu)襯砌和錨(mao)桿、錨(mao)索、預應(ying)力錨(mao)索支護；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)巖(yan)錨(mao)吊車梁施工(gong)(gong)及吊車荷(he)載施加(jia)；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)蝸殼混凝(ning)(ning)土(tu)回填施工(gong)(gong)；模(mo)擬(ni)(ni)(ni)各(ge)向(xiang)異性(xing)和非均質(zhi)性(xing)；適應(ying)于(yu)巖(yan)土(tu)的(de)多種(zhong)屈(qu)服(fu)準(zhun)則(ze)（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、DPY準(zhun)則(ze)、Zienkiewicz－Pande、廣義(yi)雙剪等常用函(han)數和用戶自定(ding)義(yi)屈(qu)服(fu)函(han)數）

超算建筑結構行業解決方案

為滿足用戶(hu)(hu)大規模(mo)計(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)需要，超算(suan)(suan)科技(ji)提供(gong)用戶(hu)(hu)定制化的(de)(de)并(bing)(bing)行(xing)(xing)計(ji)算(suan)(suan)模(mo)塊開發和(he)并(bing)(bing)行(xing)(xing)計(ji)算(suan)(suan)咨詢服務。并(bing)(bing)行(xing)(xing)計(ji)算(suan)(suan)可以根據用戶(hu)(hu)預(yu)算(suan)(suan)的(de)(de)情況提供(gong)基(ji)于(yu)(yu)機群的(de)(de)MPI并(bing)(bing)行(xing)(xing)和(he)基(ji)于(yu)(yu)GPU的(de)(de)眾核并(bing)(bing)行(xing)(xing)兩種解決方案。

3、應用案例
地下廠房開挖與建造過程模擬
某電站建設管理公司為優化電站地下工程的設計和施工，需要模擬不同的施工工藝過程中的圍巖穩定狀態，在保證安全的前提下為設計的優化和施工程序的安排提供信息指導。
模擬計(ji)算遇(yu)到(dao)的(de)主(zhu)要(yao)困難(nan)包括(kuo)考慮(lv)巖(yan)石(shi)層理結構橫(heng)觀各向(xiang)同(tong)性(xing)彈(dan)塑性(xing)特征；需(xu)要(yao)考慮(lv)主(zhu)變(bian)室及尾水隧洞所處(chu)巖(yan)層數(shu)條(tiao)大的(de)薄層對圍巖(yan)穩(wen)定的(de)影響(xiang)；如何有效處(chu)理大量錨桿支護(hu)對圍巖(yan)的(de)力(li)學(xue)作用；以(yi)及巖(yan)體滲流對圍巖(yan)穩(wen)定的(de)影響(xiang)。通(tong)過各向(xiang)異性(xing)本構輸入、非匹(pi)配網格迭代(dai)計(ji)算、變(bian)形(xing)能體積平均(jun)化(hua)、生死節點(dian)等技術(shu)處(chu)理解決了計(ji)算中遇(yu)到(dao)的(de)主(zhu)要(yao)困難(nan)，為(wei)電站圍巖(yan)穩(wen)定性(xing)分析提供(gong)了有價值的(de)參考。

洞室群結構三維有限元網格圖

軟弱結構面fj2、fj5、fj4部分網格圖

空間等水頭面

巖溶管道橫剖面等水頭線

基礎沉降分析

中(zhong)國(guo)建筑科(ke)學(xue)研(yan)究院地基(ji)研(yan)究所(suo)為考慮(lv)了(le)塔樓(lou)-地基(ji)-基(ji)礎(chu)的(de)(de)相互(hu)作用(yong)(yong)，對地基(ji)沉降、地基(ji)反(fan)力(li)(li)、基(ji)礎(chu)片筏和塔樓(lou)梁、柱的(de)(de)變形和內力(li)(li)進行模(mo)擬(ni)(ni)。要求計算(suan)模(mo)擬(ni)(ni)考慮(lv)地基(ji)正(zheng)常固(gu)結(jie)土壓(ya)縮指(zhi)(zhi)數、天然孔隙(xi)比(bi)、壓(ya)縮模(mo)量、平(ping)面(mian)內不均勻(yun)時(shi)的(de)(de)有(you)限壓(ya)縮模(mo)型計算(suan)；考慮(lv)地基(ji)超固(gu)結(jie)土壓(ya)縮指(zhi)(zhi)數、回彈(dan)再壓(ya)縮指(zhi)(zhi)數、天然孔隙(xi)比(bi)、回彈(dan)再壓(ya)縮模(mo)量平(ping)面(mian)內不均勻(yun)時(shi)的(de)(de)有(you)限壓(ya)縮模(mo)型計算(suan)；實現(xian)用(yong)(yong)簡(jian)化(hua)算(suan)法(fa)將有(you)限元計算(suan)出的(de)(de)變形和反(fan)力(li)(li)采用(yong)(yong)結(jie)構力(li)(li)學(xue)方法(fa)疊加(jia)得到筏板基(ji)礎(chu)的(de)(de)彎矩分(fen)布和剪力(li)(li)分(fen)布。通過計算(suan)模(mo)擬(ni)(ni)開發實現(xian)了(le)塔樓(lou)-地基(ji)-基(ji)礎(chu)的(de)(de)相互(hu)作用(yong)(yong)，反(fan)映(ying)了(le)上部結(jie)構對地基(ji)、基(ji)礎(chu)不僅是荷(he)載關系，而(er)且(qie)有(you)很強的(de)(de)約束機制。

地基處理前的變形VS地基處理后的變形

地基處理前的反力VS地基處理后的反力

4、攜手計算

建筑結構計算在和地基、基礎結合，在和其他物理量耦合方面還依然存在許多挑戰性課題。超算科技將攜手廣大科技工作者和工程師結合理論、實驗和數值模擬共同面對這樣的挑戰。利用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。
巖土與地下工程開發利用中的數值模擬；
建筑物、構筑物和地基基礎的相互作用模擬；
巖土本構模型的研究與計算模擬分析；
建筑結構與各種荷載、質量單元的相互耦合作用；
基于材料非線性的力學穩定性分析；
基于(yu)幾(ji)何非(fei)線性(xing)的動力(li)穩定性(xing)分析。