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、行業計算模拟現狀

随着計算機技術的發展以及觀測水平的提高，數值模拟在地質研究中得(de)到越來越多的應用。以前必須通過實地觀測和試驗才能得(de)到的結果，可以通過計算機數值模拟來實現；很多不可重複的過程，例如(rú)地球動力學演化、大(dà)尺度長時間的緩慢(màn)運動等問題，同樣可以通過數值計算來重現；而且數值方法已成爲大(dà)多數反演過程不可缺少的重要組成部分。

在衆多的數值方法中，有限元方法以其嚴謹的理論、方便的操作、相(xiàng)對可靠的結果、利于計算機實現，尤其能夠方便的實現複雜幾何模型下的數值計算分析等優點，在地質模拟中得(de)到廣泛的應用。在資源勘探、地球動力學、地震學等地球科學研究中，很多學者利用有限元方法取得(de)了顯著的成果。但(dàn)是我們注意到，地質中不斷提出的問題對有限元的要求也越來越高，有限元數值方法的完善反過來大(dà)大(dà)促進了地質科學的發展。基于多物理耦合的高性能有限元數值模拟必将在地震波場數值模拟、現代地質運動、地震孕育與觸發、盆地演化、地幔對流等方面發揮越來越顯著的作用。

2、超算解決方案

SciFEA軟件提供的固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊、熱固耦合模型、孔隙介質模型、結構單元（杆、梁、闆、殼）、彈簧單元、傳熱模塊（穩态、瞬态）、點對單元、接觸模塊等，可以直接滿足地質行業地震勘探、現代地質運動、盆地演化、地幔對流方面的計算需求。

超算科技爲用戶提供針對地質計算模拟的特定的處理技術，如(rú)考慮地質的非均勻性；考慮地質體的生成與剝蝕；考慮幂率流體、彈塑性損傷等材料非線性；考慮地質的褶皺等幾何非線性；考慮不同地質體之間的碰撞、摩擦等邊界非線性問題；考慮大(dà)尺度地幔對流時任意拉格朗日(rì)－歐拉描述；考慮地震破裂的節點分裂、地震波傳播模拟的吸收邊界、譜有限元技術等。

爲滿足用戶計算結果分析的需要，超算科技提供可考慮不同時刻的斷層啓動、傾斜斷層、地表不均勻地形、不均勻的地溫分布；可輸出區域任意點的變形速度、任意方位的庫侖應力、可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

爲滿足用戶大(dà)規模計算的需要，超算科技提供用戶定制化的并行計算模塊開發和并行計算咨詢服務。并行計算可以根據用戶預算的情況提供基于機群的MPI并行和基于GPU的衆核并行兩種解決方案。

3、應用案例

闆塊推擠粘彈塑性接觸模拟分析

中國科學院青藏高原研究所爲研究闆塊推擠過程，采用彈塑性和粘彈性相(xiàng)結合的模型。上地殼采用彈塑性模型，屈服準則采用D-P準則和Von-Mises準則；粘彈性用Maxwell模型。模型要求考慮速度邊界、靜(jìng)水壓力邊界、彈簧邊界三種邊界條件。按庫侖接觸準則考慮斷層的接觸效應，同時摩擦系數可随時間變化。爲考慮溫度場對地殼岩石特性的影(yǐng)響和地形變化對變形與應力的影(yǐng)響，可以根據數據文件給定模型的溫度場和地形。計算模拟時邊值、粘度可以随時間變化，可以用函數的形式，也可以用分段的形式加以定義。

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

中國科學院地質與地球所爲模拟地震位錯發生時的孔隙壓力、地應力的變化，要求采用孔隙彈性本構關系，基于Biot固結理論考慮流固耦合的影(yǐng)響，模拟在給定的地震位錯條件下庫侖應力随時間的變化、孔隙壓力随時間的變化。計算考慮；靜(jìng)水壓力；流體流量三種邊界條件，同時采用節點分裂法由地震反演得(de)到的位錯數據模拟發震和震後地質變形演化和庫侖應力、孔隙壓力演化。通過模拟反映了孔隙壓力在震後的規律性變化。

地震位錯後的孔隙壓力變化

三維地質建模

4、攜手計算

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