高性能计算在水工结构工程数值仿真中的应用进展

从当前水工数值仿真中面临的问题入手,总结了水工数值仿真中有限元并行计算的3个策略:方程组并行求解、区域分解、EBE方法;比较了实现并行计算采用PC网络机群、高性能计算集群、GPU通用计算的优缺点,指出了GPU集群将成为水工数值计算的新的硬件基础.并着重阐述了高性能计算在高拱坝地震损伤计算、拱坝-地基系统的有限元计算、闸门结构分析和随机有限元等水工数值仿真问题中的应用.最后探讨了云计算在水工数值仿真中的应用,并指出云计算将成为水工数值仿真,尤其是水工实时监测与反馈分析新的发展方向.     

求解喷流问题的一种有效的并行算法

采用笔者提出的异步并行计算技术,利用局域网并行求解流体力学中的经典问题,平面渠喷流问题。该方法不仅并行处理效率高,而且与权威结果(串行计算)进行比较,计算结果令人满意。基于网络环境的分布式并行计算中,通常局域网的底层通信协议多为以太网协议,而以太网采用的是总线通信和信道竞争两种技术,这样就存在通信冲突率提高、通信效率低下的问题。为解决网络环境的分布式并行计算中通信开销在的问题,文中采用了一种有序通信的思想,从而有效地回避了通信冲突的问题,取得了较好的效果。     

面向服务的有限元并行计算网格系统设计

为了提高有限元法计算的速度和共享网络资源,结合目前主流的网格系统体系结构和有限元并行求解算法,提出了面向服务的有限元并行计算网格系统的总体框架,讨论了有限元并行计算基本理论和基于Web Services技术的计算网格系统设计方法．     

并行遗传算法在MRI永磁主磁体优化设计中的应用

为了减少电磁场逆问题求解的计算时间,提出了一种并行遗传算法,并采用并行虚拟机(PVM)方式,将该算法用于磁共振成像装置主磁体的极靴形状优化.研究表明：在合理确定并行计算的计算机台数和进程数的条件下,应用PVM实现的并行遗传算法可以有效地提高计算速度.数值实验验证了所提出的方法和所编制软件的实用性.由此可知,用PVM实现的并行遗传算法对于求解计算时间冗长的电磁场逆问题,是一种较好的方法.     

中小型平面钢闸门面板的优化设计

通过具体工程的闸门面板设计实例,分别采用平面体系和空间体系进行应力比较设计,优选出中小型平面钢闸门面板安全、简便、快速又较经济的设计方法——平面体系设计方法中我国《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）制定的方法。     

浅析水利工程中平面钢闸门设计

本文分析了平面钢闸门总体布置和闸门的选型,提出了解决解决设计的几个常见问题的措施,阐述了水利水电工程中钢闸门设计中存在的几个问题,确保平面钢闸门的工程质量和运行安全。     

基于Calculix的船舶疲劳强度并行计算方法研究与应用

分析了船舶设计领域中基于有限元求解的大规模数值计算问题.在广州超算中心先导系统基础资源环境下对开源有限元求解器Calculix进行基于消息传递接口的并行化改造和移植.在兼容商业有限元分析软件前后处理文件格式的条件下,计算部分在超级计算机上采用多工况多结点并行计算完成.基于C/S模式搭建了船舶疲劳强度分析并行计算系统,实际算例和测试结果表明,同等条件下该Calculix并行化改造方法大大降低了船舶设计中数值分析部分的时间开销.     

有限元问题的并行求解

根据有限元结构的特点，可以使总体有限元网格成为一列覆盖结构，并利用单元内部计算的独立性，实现了限元方程的并行求解。文中的两个并行计算过程实现了树形结构递归计算，描述了有限元问题的并行求解过程。     

共享内存系统中高效并行FDTD计算方案

针对电大问题的FDTD仿真,在共享内存系统中提出一种不交换数据的并行FDTD计算方案。该方案利用共享内存系统的通用多核处理器架构,直接读取并行场域边界面的数据实现并行计算,采用自主开发的多线程技术实现FDTD的并行计算。通过数值仿真测试,提出了最大并行计算效率的区域划分方式,并验证了所提出的方案是一种理想的基于共享内存系统的并行FDTD计算方案。     

基于阿里云的四维弹簧模型并行运算性能

四维弹簧模型（Four-Dimensional Lattice Spring Model,4D-LSM）是一种考虑额外维相互作用的新型离散数值计算方法。该方法用于岩石破坏分析需要消耗大量计算资源,不适合在普通个人电脑上运行。基于多核并行技术,在阿里云和多核工作站等多种硬件环境下对4D-LSM的计算极限性能及瓶颈进行详细分析,主要研究了求解规模、求解类型、线程数、硬件配置等对4D-LSM求解效能的影响。研究发现,内存容量决定可计算的模型规模,弹性问题的计算时间与模型规模成正比,并行计算效率受CPU性能和内存带宽的共同影响。在不考虑经济因素的情况下,云计算在多核匹配和内存分配方面的灵活性特别适合于四维弹簧模型的并行计算分析。结果表明：基于阿里云的4D-LSM最大运算规模可以达到十亿单元,由于目前的瓶颈在于前后处理,4D-LSM目前的可分析规模仍然限制在两千万单元。最后,展示了采用极限规模的并行四维弹簧模型求解三维币形裂纹扩展的实际应用案例。     

Comparison on construction of strut-and-tie models for reinforced concrete deep beams

With consideration of the differences between concrete and steel, three solutions using genetic evolutionary structural optimization algorithm were presented to automatically develop optimal strut-and-tie model for deep beams. In the finite element analysis of the first method, the concrete and steel rebar are modeled by a plane element and a bar element, respectively. In the second method, the concrete and steel are assigned to two different plane elements, whereas in the third method only one kind of plane element is used with no consideration of the differences of the two materials. A simply supported beam under two point loads was presented as an example to verify the validity of the three proposed methods. The results indicate that all the three methods can generate optimal strut-and-tie models and the third algorithm has powerful capability in searching more optimal results with less computational effort. The effectiveness of the proposed algorithm III has also been demonstrated by other two examples.     

PBL 加劲型矩形钢管混凝土不等宽 T型节点应力集中系数分析

为研究开孔钢板连接件（PBL ）加劲型矩形钢管混凝土 T 型节点的疲劳性能,进行了 T 型节点支管受拉、面内受弯及面外受弯的应力集中系数分析。基于矩形钢管混凝土 T 型节点受拉试验,设计了主管为矩形钢管、矩形钢管混凝土和PB L加劲型矩形钢管混凝土,支管为方钢管的T型节点受拉试件,并采用ABAQUS软件对其进行非线性有限元分析,其中主管钢管宽厚比为27,支主管宽度比为0．4。通过非线性有限元数值模拟,分析热点可能出现位置,并采用二次外推法计算得到支主管的应力集中系数。结果表明：PB L加劲型矩形钢管混凝土节点热点出现位置与矩形钢管节点和矩形钢管混凝土节点一致;与矩形钢管混凝土节点相比,PB L加劲型矩形钢管混凝土节点的应力集中系数显著降低,抗疲劳性能明显提高。     

基于组合单元的圆钢管混凝土结构非线性分析

基于圆钢管混凝土组合截面轴力-应变关系和轴力一弯矩一曲率关系实用计算方法,采用U.L列式单元增量平衡方程,引入平面梁单元非线性分析方法,建立了钢管混凝土结构组合单元法非线性有限元分析理论.编制了相应的非线性有限元程序,对已有钢管混凝土结构的面内受力,如钢管混凝土偏压柱、不等端弯矩钢管混凝土偏压柱、钢管混凝土压弯构件和钢管混凝土模型拱肋等进行双重非线性有限元分析,与基于钢管混凝土拉压数值本构模型的分层梁单元非线性分析理论比较.结果表明,两种分析方法的载荷一变形曲线和极限承载力都很接近试验结果,与分层法相比,组合单元法直接根据杆端力求解截面刚度,不用分层计算截面刚度,加快了计算速度.     

弹性结点平面框架有限元及其应用

研究了弹性结点有限元方法,详细导出了弹性结点杆件的单元刚度矩阵和常见荷载列阵。在此基础上对扣件式钢管脚手架整体稳定性提出一种全新分析方法,扣件的弹性系数由试验获得,它是由大量试验数据进行回归分析,在工程允许的置信度下给出的统计值。     

基于改进量子遗传算法的模型交互修正方法

针对传统有限元模型修正方法低效率、高成本且易陷入局部极值的缺点,提出基于改进量子遗传算法的静力多尺度有限元模型交互修正方法. 依据量子计算理论,对量子比特矢量态进行实数编码,以改进量子旋转门实现旋转角自适应更新,引入量子全局干扰交叉、变异、灾变等遗传操作,设计改进量子遗传算法. 以某钢-混组合梁桥为工程背景建立多尺度有限元模型,建立目标函数,对待修正区域进行分块处理. 利用最大互信息系数对待修正参数进行筛选,给出目标函数权重,通过Python语言实现了基于改进量子遗传算法的静力多尺度有限元模型交互修正. 结果表明,改进量子遗传算法相较于传统遗传算法、量子遗传算法具有更高的性能与精度,自动交互修正方法的效率较高,对材料弹性模量、厚度、车辆荷载等参数的修正与工程实际测试的情况基本吻合,目标函数修正结果相较于有限元计算的初始值,挠度误差降低至1.4%~14.3%,混凝土底板应力误差降低至2.6%~18.8%,钢梁应力误差降低至0%~11.1%.     

深基坑土钉支护的有限元分析

采用考虑转动自由度的修正古德曼节理单元作为接触面单元,将平面弯曲钢钉单元和考虑弹塑性的土体单元相互连接,利用有限元方法对土钉支护的作用机理、变形及其受力进行分析,并将其用于工程设计中。与实际监测结果的对比验证可知,该模型是有效的和可行的,研究结论对土钉支护的设计与施工具有较高的应用价值。     

负载下焊接加固受弯工形钢梁的受力特性分析

采用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,对3个不同初始负载下焊接加固的受弯工形钢梁和1个做对比用的未加固工形钢梁的受力特性进行有限元分析,并详细介绍了2种用于模拟负载下焊接加固钢梁受力特性的有限元分析方法。基于目前最常用的、仅采用生死单元技术而未考虑焊接热过程的有限元分析方法,采用间接热一结构耦合分析方法,考虑焊接热过程和随温度变化的钢材材性,提出了能够考虑负载下焊接过程影响的有限元分析方法。通过将有限元计算结果与相应的试验结果进行对比,验证了采用的有限元分析方法和有限元模型的可行性。计算结果表明：负载下焊接加固后的钢梁的极限承栽能力受初始负载的影响较大。     

基于有限等参单元的等效平面桁架模型

针对有限元分析的复杂性,从弹性力学平面应力单元出发,结合无限小单元法和有限单元法,提出了等效平面桁架模型。基于平面应力单元和等效桁架单元在同样节点荷载下的位移等效,分析了等效后桁架杆件的初始刚度、截面面积及等效弹性模量等特征值;建立了等效平面桁架模型的单元刚度矩阵、应变矩阵和单元的轴力矩阵;给出了等效平面桁架模型的分离式模型,分析了非规则带钢筋的四边形等参单元,建立了等参单元等效平面桁架模型的单元刚度矩阵。以某混凝土简支梁和混凝土重力坝作为研究对象,将等效桁架模型与有限元分析软件ANSYS9．0的计算结果做比较。结果表明,等效桁架模型对平面问题的处理可以满足工程精度的要求,同时使计算模型简单化,体现了等效平面桁架模型的科学性。     

Lateral load-carrying capacity analyses of composite shear walls with double steel plates and filled concrete with binding bars

A method is developed to predict the lateral load-carrying capacity of composite shear walls with double steel plates and filled concrete with binding bars(SCBs). Nonlinear finite element models of SCBs were established by using the finite element tool, Abaqus. Tie constraints were used to connect the binding bars and the steel plates. Surface-to-surface contact provided by the Abaqus was used to simulate the interaction between the steel plate and the core concrete. The established models could predict the lateral load-carrying capacity of SCBs with a reasonable degree of accuracy. A calculation method was developed by superposition principle to predict the lateral load-carrying capacity of SCBs for the engineering application. The concrete confined by steel plates and binding bars is under multi-axial compression; therefore, its shear strength was calculated by using the Guo-Wang concrete failure criterion. The shear strength of the steel plates of SCBs was calculated by using the von Mises yielding criterion without considering buckling. Results of the developed method are in good agreement with the testing and finite element results.     

焊接不锈钢工字形截面受弯构件整体稳定与设计方法

总结了作者在清华大学完成的一批焊接不锈钢梁在弯矩荷载作用下的整体稳定性能试验,试验以试件的长细比为主要变化参数,对8根工字形截面梁进行了研究。试验的材料是奥氏体型316冷轧板,材料应力-应变关系通过拉伸试验获得;同时采用有限元软件ANSYS建立包含初始缺陷的有限元模型,对试件的极限承载力和荷载-变形关系进行分析,并与试验结果进行了对比,以证明有限元分析的合理性和适用性,为进一步研究奠定基础。同时,还将试验结果与欧洲规范和作者的建议设计方法进行了对比。分析结果表明:通过合理建模的有限元分析结果与试验结果吻合良好,有限元分析能够合理的模拟焊接不锈钢梁的整体稳定性能,作者所建议的设计方法的计算结果与欧洲规范相近,能够应用于工程设计并保证足够安全。