超算有限元分析系統SciFEA—建築結構行業應用解決方案

1、行業計算模拟現狀

建築結構工程作爲最早期的工程學科之一涵蓋着相(xiàng)當廣泛的科學技術領域。從土木建築、橋梁結構、水工結構，到公路(lù)、隧道、地下工程等方面都(dōu)離(lí)不開結構的設計與計算分析。計算模拟在這一領域起步最早、發展最快。國外大(dà)型模拟軟件大(dà)都(dōu)是從滿足結構計算開始的。目前，數值模拟在建築結構行業發展的相(xiàng)當成熟，不僅有大(dà)量的通用模拟軟件、而且還(hái)有衆多的針對某個專業需求的數值模拟軟件可供選擇。但(dàn)目前結構工程數值模拟方面主要的困難表現在以下兩個方面：一是物理場耦合分析開發的難度大(dà)，很多方面工作才剛剛起步，如(rú)熱舒适環境優化設計與火(huǒ)災熱影(yǐng)響分析、車輛(liàng)橋梁耦合分析、風(fēng)橋耦合非線性分析、海洋結構海浪沖擊-海水腐蝕共同作用分析等。二是和建築結構緊密相(xiàng)連的地基與基礎建模分析，國内外的很多工程往往因爲地基和基礎處理的不正确而導緻建築結構工程的失效和破壞。萬丈高樓平地起，地的問題很複雜，性質多變，在計算模拟上通過模型把握有不小的困難，需要綜合考慮的因素很多，這對計算模拟也提出了很大(dà)的挑戰。

2、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、滲流模塊、流固耦合模塊等，可以直接滿足建築結構行業上部結構、基礎、地基、地下結構等方面的計算需求。

超算科技針對結構中計算中、特别是結構地基與軟弱層方面模拟的複雜性，提供專業化軟件定制。可以模拟考慮不同的岩土結構、孔隙、密度、應力曆史、荷載特征、孔隙水及時間效應。可以爲用戶提供的計算元素包括模拟原始地應力場、滲流場；模拟複雜的地質構造（地層、斷層、軟弱結構面）、岩層層狀模型；模拟施工過程和施工方法、分層分部位開挖建造；模拟噴混凝土襯砌和錨杆、錨索、預應力錨索支護；模拟岩錨吊車梁施工及吊車荷載施加；模拟蝸殼混凝土回填施工；模拟各向異性和非均質性；适應于岩土的多種屈服準則（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、DPY準則、Zienkiewicz－Pande、廣義雙剪等常用函數和用戶自定義屈服函數）

超算建築結構行業解決方案

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
地下廠(chǎng)房(fáng)開挖與建造過程模拟
某電站(zhàn)建設管理公司爲優化電站(zhàn)地下工程的設計和施工，需要模拟不同的施工工藝過程中的圍岩穩定狀态，在保證安全的前提下爲設計的優化和施工程序的安排提供信息指導。
模拟計算遇到的主要困難包括考慮岩石層理結構橫觀各向同性彈塑性特征；需要考慮主變室及尾水隧洞所處岩層數條大(dà)的薄層對圍岩穩定的影(yǐng)響；如(rú)何有效處理大(dà)量錨杆支護對圍岩的力學作用；以及岩體滲流對圍岩穩定的影(yǐng)響。通過各向異性本構輸入、非匹配網格叠代計算、變形能體積平均化、生死節點等技術處理解決了計算中遇到的主要困難，爲電站(zhàn)圍岩穩定性分析提供了有價值的參考。

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

岩溶管道橫剖面等水頭線

基礎沉降分析

中國建築科學研究院地基研究所爲考慮了塔樓-地基-基礎的相(xiàng)互作用，對地基沉降、地基反力、基礎片筏和塔樓梁、柱的變形和内力進行模拟。要求計算模拟考慮地基正常固結土壓縮指數、天然孔隙比、壓縮模量、平面内不均勻時的有限壓縮模型計算；考慮地基超固結土壓縮指數、回彈再壓縮指數、天然孔隙比、回彈再壓縮模量平面内不均勻時的有限壓縮模型計算；實現用簡化算法将有限元計算出的變形和反力采用結構力學方法疊加得(de)到筏闆基礎的彎矩分布和剪力分布。通過計算模拟開發實現了塔樓-地基-基礎的相(xiàng)互作用，反映了上部結構對地基、基礎不僅是荷載關系，而且有很強的約束機制。

地基處理前的變形VS地基處理後的變形

地基處理前的反力VS地基處理後的反力

4、攜手計算

建築結構計算在和地基、基礎結合，在和其他(tā)物理量耦合方面還(hái)依然存在許多挑戰性課題。超算科技将攜手廣大(dà)科技工作者和工程師結合理論、實驗和數值模拟共同面對這樣的挑戰。利用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。
岩土與地下工程開發利用中的數值模拟；
建築物、構築物和地基基礎的相(xiàng)互作用模拟；
岩土本構模型的研究與計算模拟分析；
建築結構與各種荷載、質量單元的相(xiàng)互耦合作用；
基于材料非線性的力學穩定性分析；
基于幾何非線性的動力穩定性分析。