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三维进化弹塑性并行有限元反分析系统研究

茹忠亮  
【摘要】: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),通过对其进行三维并行弹塑性分析,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。


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