×

一种高效且鲁棒的GPGPU并行接触算法,用于组合有限离散元法。 (英语) Zbl 1507.74247号

摘要:在本研究中,提出了一种高效可靠的GPGPU(通用图形处理单元)并行算法,用于三维组合有限离散元法(3D FDEM)的接触力计算。接触力模型是节能的,避免了Munjiza提出的原始接触算法中接触力的网格依赖性问题。接触力计算基于两个粒子之间重叠区域的几何特征的确定,这可以通过连续执行面-粒子相交计算轻松获得。还实现了接触阻尼和接触摩擦。基于计算统一设备架构(CUDA),由于简化了计算过程,所提出的接触算法可以并行化,与现有的节能接触算法相比,线程不平衡和寄存器使用量要小得多。为了验证所提出的接触算法的效率和有效性,进行了一些数值试验。通过块滑动试验验证了接触摩擦模型的理论解,结果表明,所提出的接触算法在法向和摩擦力评估方面均优于原始接触算法。对于准静态和动态场景,模拟结果与原始接触算法生成的结果以及实验测量值吻合良好。计算效率测试表明,计算时间与潜在接触对的数量成线性关系,所提接触算法的并行版本相对于原始接触算法的串行版本的加速比可以达到565.1(Nvidia Quadro GP100),这表明本文提出的接触算法能够用于大规模问题的仿真。此外,所提出的接触算法可以应用于使用四个以上顶点的多面体的情况。

理学硕士:

74M15型 固体力学中的接触
74M10个 固体力学中的摩擦
74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 蒙吉扎;D.R.J.欧文。;Bicanic,N.,《压裂固体瞬态动力学的有限元-离散元组合方法》,工程计算。,12, 145-174 (1995) ·Zbl 0822.73070号
[2] 蒙吉扎,A。;鲁吉尔,E。;Knight,E.E.,《大应变有限元方法:实践课程》(2015),约翰·威利父子公司:英国伦敦·Zbl 1402.74002号
[3] 雷,Z。;Rougier,E。;Knight,E.E。;蒙吉扎,A。;Viswanathan,H.,岩土材料的广义各向异性变形公式,计算。零件机械。,3, 215-228 (2016)
[4] Rougier,E。;蒙吉扎,A。;雷,Z。;Chau,V.T。;Knight,E.E。;亨特,A。;Srinivasan,G.,《细观单元法的组合塑性和离散断裂变形框架》,国际。J.数字。方法工程,1211020-1035(2020)
[5] 雷,Z。;布拉德利,C.R。;蒙吉扎,A。;Rougier,E。;Euser,B.,各向异性固体弹塑性行为的新框架,计算。零件机械。,7, 823-838 (2020)
[6] 雷,Z。;Rougier,E。;蒙吉扎,A。;维斯瓦纳坦,H。;Knight,E.E.,通过2D组合有限离散元方法模拟由几乎不可压缩流体驱动的离散裂纹,国际期刊数值。分析。方法地质力学。,1-20 (2019)
[7] 蒙吉扎,A。;Rougier,E。;周,L。;Knight,E.E.,FSIS:用于压裂和破碎固体的新型流体-固体相互作用求解器,计算。零件机械。,7, 1-28 (2020)
[8] 严振中。;郑永川。;黄博士。;Wang,G.,不连续和颗粒介质的耦合接触传热和热裂化模型,计算机。方法应用。机械。工程,375,第113587条pp.(2021)·Zbl 1506.74086号
[9] 严振中。;魏,D.S。;Wang,G.,考虑连续介质中热裂纹的三维有限离散元接触传热模型,计算。方法应用。机械。工程,388,第114228条pp.(2022)·Zbl 1507.74025号
[10] 严振中。;谢,X。;Ren,Y.H。;Ke,W.H。;Wang,G.,基于FDEM的岩石破裂多物理模拟二维热-水-力耦合模型,国际岩石力学杂志。最小科学。,149,第104964条pp.(2022)
[11] Lisjak,A。;Tatone,B.S.A。;O.K.马哈巴迪。;格拉塞利,G。;马沙尔,P。;Lanyon,G.W。;de le Vaissiere,R。;邵,H。;Leung,H。;Nussbaum,C.,乳白色粘土中微型隧道周围EDZ形成和机械密封过程的混合有限离散元模拟,岩石力学。岩石工程,49,1849-1873(2016)
[12] Lei,Q.H。;Latham,J.P。;向,J.S。;Tsang,C.F.,天然裂缝在断裂岩石隧道开挖周围损伤演化中的作用,工程地质学。,231, 100-113 (2017)
[13] 刘庆生。;Deng,P.H.,基于有限元-离散元组合方法的实验室和现场尺度完整岩石单元尺寸和加载/卸载速率的数值研究,工程分形。机械。,211, 442-462 (2019)
[14] Antolini,F。;Barla,M。;Gigli,G。;Giorgetti,A。;Intrieri,E。;Casagli,N.,意大利中部torgiovannetto di assisi岩滑的联合有限离散数值模拟,国际地质机械杂志。,16,第04016019条pp.(2016)
[15] Klinger,Y。;大久保,K。;瓦莱奇,A。;Champenois,J。;Delorme,A。;Rougier,E。;雷,Z。;Knight,E.E。;蒙吉扎,A。;萨特里亚诺,C。;Baize,S。;兰里奇,R。;Bhat,H.S.,地震破坏模式解决了复杂的破裂过程,地球物理学。雷斯莱特。,45, 10279-10287 (2018)
[16] Xiang,J.S。;Latham,J.P。;Farsi,A.,模拟复杂形状相互作用和堆积的坚固性算法和能力,(第七届离散元方法国际会议论文集。第七届离散元方法国际会议论文集,施普林格物理学论文集,第188卷(2016),施普林格:施普林格新加坡)
[17] 雷,Z。;Rougier,E。;Knight,E.E。;Munjiza,A.,二维有限元-离散元组合方法大规模并行化框架,计算。第部分。机械。,1, 307-319 (2014)
[18] Rougier,E。;Knight,E.E。;布鲁姆,S.T。;萨斯曼,A.J。;Munjiza,A.,利用分离式霍普金森压杆试验的实验结果验证三维有限离散元方法,国际岩石力学杂志。最小科学。,70, 101-108 (2014)
[19] Lisjak,A。;O.K.马哈巴迪。;He,L。;Tatone,B.S.A。;Kaifosh,P。;哈克,S.A。;Grasselli,G.,使用通用GPU计算加速地质力学模拟的2D/3D有限离散元代码,计算。岩土工程。,100, 84-96 (2018)
[20] 福田,D。;穆罕默德·内贾德,M。;Liu,H.Y。;张庆斌。;赵,J。;Dehkhoda,S。;Chan,A。;Kodama,J.I。;Fujii,Y.,基于GPGPU并行计算的三维混合有限离散元模拟器的开发,用于模拟准静态和动态加载条件下的岩石破裂,岩石力学。岩石工程,53,1079-1112(2020)
[21] 刘庆生。;王伟强。;Ma,H.,使用多GPU和CUDA的并行组合有限离散元(FDEM)程序,国际期刊Numer。分析。方法地质力学。,44, 208-238 (2020)
[22] 穆罕默德·内贾德,M。;福田,D。;Liu,H.Y。;德霍达,S。;Chan,A.,GPGPU并行化岩石断裂三维组合有限元离散元建模与自适应接触激活方法,计算。零件机械。,7, 849-867 (2020)
[23] 刘,H。;刘庆生。;马,H。;Fish,J.,一种用于组合有限离散元方法的新型GPGPU并行接触检测算法,国际岩石力学杂志。最小科学。,144,第104782条pp.(2021)
[24] Munjiza,A.,《组合有限离散元法》(2004),威利:威利伦敦·Zbl 1194.74452号
[25] 蒙吉扎,A。;Andrews,K.R.F.,由大量独立实体组成的组合有限元离散元系统的罚函数法,国际。J.数字。方法工程,49,1377-1396(2000)·Zbl 1010.74067号
[26] 雷,Z。;Rougier,E。;尤瑟,B。;Munjiza,A.,有限元-离散元组合方法的光滑接触算法,计算。第部分。机械。,7, 807-821 (2020)
[27] Yan,C.Z。;Zheng,H.,有限元-离散元组合法中计算接触力的新势函数,国际J·数值。分析。方法地质力学。,41, 265-283 (2017)
[28] Zhao,L.H。;Liu,X.N。;毛,J。;徐,D。;蒙吉扎,A。;Avital,E.,基于距离势的任意二维凸元的新型离散元方法,国际。J.数字。方法工程,115,238-267(2018)
[29] Zhao,L.H。;Liu,X.N。;毛,J。;徐,D。;蒙吉扎,A。;Avital,E.,一种基于距离势函数的新型接触算法,用于三维离散元方法,Rock Mech。岩石工程,51,3737-3769(2018)
[30] Kloosterman,G.,有限元模拟中的接触方法(2002),特温特大学
[31] 休斯·T·R·J。;泰勒,R.L。;Sackman,J。;Curnier,A。;Kanoknukulchai,W.,一类接触碰撞问题的有限元方法,计算。方法应用。机械。工程,8249-276(1976)·Zbl 0367.73075号
[32] 休斯·T·J·R。;Taylor,R.L。;Kanoknukulchai,W.,《大位移接触和冲击问题的有限元方法》,(Bathe,K.;Oden,J.;Wunderlich,W.《有限元分析中的公式和计算算法:美国-德国研讨会》(1977年),麻省理工学院:MIT Cambridge),468-495
[33] Hallquist,J.O.,Nike2D:用于分析二维实体静态和动态响应的隐式有限变形有限元代码Tech。众议员UCRL-52678(1979年),加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室:加州大学利弗莫尔劳伦斯利弗莫尔国家实验室
[34] Simo,J。;Wriggers,P。;Taylor,R.L.,接触问题有限元解的扰动拉格朗日公式,计算。方法应用。机械。工程,50,163-180(1985)·Zbl 0552.73097号
[35] 帕帕佐普洛斯,P。;Taylor,R.L.,接触问题有限元解的混合公式,计算。方法应用。机械。工程,94,373-389(1992)·Zbl 0743.73029号
[36] El-Abbasi,N。;Bathe,K.J.,接触离散化的稳定性和补丁测试性能以及新的求解算法,计算。结构。,79, 1473-1486 (2001)
[37] Fischer,K.A。;Wriggers,P.,基于砂浆法的有限变形无摩擦2D接触公式,计算。机械。,36, 226-244 (2005) ·兹比尔1102.74033
[38] Fischer,K.A。;Wriggers,P.,使用移动摩擦锥进行高阶插值的基于砂浆的摩擦接触公式,计算。方法应用。机械。工程,37-405020-5036(2006)·Zbl 1118.74047号
[39] 帕帕佐普洛斯,P。;琼斯·R·E。;Solberg,J.M.,无摩擦接触问题的一种新的有限元公式,国际。J.数字。方法工程,38,2603-2617(1995)·Zbl 0834.73067号
[40] Sauer,R.A。;De Lorenzis,L.,基于表面势的计算接触公式,计算。方法应用。机械。工程,253,369-395(2013)·Zbl 1297.74085号
[41] Sauer,R.A。;De Lorenzis,L.,三维摩擦的无偏计算接触公式,国际。J.数字。方法工程,101,251-280(2015)·Zbl 1352.74211号
[42] 伯纳迪,C。;借方,N。;Maday,Y.,耦合有限元和谱方法:第一个结果,数学。公司。,54, 21-39 (1990) ·Zbl 0685.65098号
[43] 伯纳迪,C。;马代。A.Patera,Y.,《区域分解的新非协调方法:砂浆单元法》(Brezis,H.;Lions,J.,《非线性偏微分方程及其应用》,法国大学研讨会,第12卷(1994)),130-151·Zbl 0797.65094号
[44] Puso,医学硕士。;Laursen,T.A.,一种用于大变形的砂浆分段摩擦接触方法,计算。方法应用。机械。工程,193,4891-4913(2004)·Zbl 1112.74535号
[45] 图尔,M。;金纳,E。;Fuenmayor,F.J。;Wriggers,P.,基于砂浆法的2D接触平滑公式,计算。方法应用。机械。工程,247-248,1-14(2012)·Zbl 1352.74443号
[46] 波普,A。;塞茨,A。;Gee,M.W。;Wall,W.A.,基于双重迫击炮方法的3D接触算法的鲁棒性和一致性改进,计算。方法应用。机械。工程,26467-80(2013)·Zbl 1286.74106号
[47] 奥托,P。;德洛伦齐斯,L。;Unger,J.F.,使用mortar方法将NURBS接触界面与接触问题的高阶有限元离散化耦合,计算。机械。,63, 1203-1222 (2019) ·Zbl 1469.74117号
[48] Padmanabhan,V。;Laursen,T.A.,大变形接触分析的表面平滑程序,有限元。分析。设计。,37, 173-198 (2001) ·兹比尔0998.74053
[49] 彼得扎克,G。;Curnier,A.,《大变形摩擦接触力学:连续体公式和增广拉格朗日处理》,计算。方法应用。机械。工程,177,351-381(1999)·Zbl 0991.74047号
[50] Muñoz,J.J.,使用零空间方法和三次B样条插值模拟单边无摩擦接触,计算。方法应用。机械。工程,197979-993(2008)·Zbl 1169.74509号
[51] Puso,医学硕士。;Laursen,T.A.,使用Gregory贴片的3D接触平滑方法,国际。J.数字。方法工程,54,1161-1194(2002)·Zbl 1098.74711号
[52] 休斯·T·J·R。;Cottrell,J.A。;Bazilevs,Y.,等几何分析:CAD,有限元,NURBS,精确几何和网格细化,计算。方法应用。机械。工程,194,4135-4195(2005)·Zbl 1151.74419号
[53] Bazilevs,Y。;Calo,V.M。;Cottrell,J.A。;Evans,J.A。;休斯·T·J·R。;利普顿,S。;斯科特,医学硕士。;Sederberg,T.W.,使用T样条的等几何分析,计算。方法应用。机械。工程,199,229-263(2010)·Zbl 1227.74123号
[54] 德洛伦齐斯,L。;Wriggers,P。;Hughes,T.J.R.,《等几何接触:综述》,GAMM-Mitt。,37, 85-123 (2014) ·Zbl 1308.74114号
[55] 克鲁斯,R。;Nguyen-Thanh,N。;德洛伦齐斯,L。;Hughes,T.J.R.,大变形弹性和摩擦接触问题的等几何配置,计算。方法应用。机械。工程,29673-112(2015)·Zbl 1423.74649号
[56] Maleki-Jebeli,S。;Mosavi Mashhadi,医学博士。;Baghani,M.,应用于粘结界面接触/脱粘的大变形混合等几何有限元法,计算。方法应用。机械。工程,330,395-414(2018)·Zbl 1439.74448号
[57] 阿格拉瓦尔,V。;Gautam,S.S.,《变阶NURBS离散化:大变形接触问题等几何分析的准确有效方法》,计算。方法应用。机械。工程,367,第113125条pp.(2020)·Zbl 1442.74219号
[58] 特米泽,I。;Wriggers,P。;Hughes,T.J.R.,NURBS等几何分析中基于砂浆的三维摩擦接触处理,计算机。方法应用。机械。工程,209-212115-128(2012)·Zbl 1243.74130号
[59] Kim,J.Y。;Youn,S.K.,使用砂浆法进行等几何接触分析,国际。J.数字。方法工程,89,1559-1581(2012)·Zbl 1242.74131号
[60] 塞茨,A。;法拉,P。;Kremheller,J。;沃尔穆特,B.I。;Wall,W.A。;Popp,A.,计算接触力学的等几何对偶砂浆方法,计算。方法应用。机械。工程,301259-280(2016)·Zbl 1425.74490号
[61] Duong,T.X。;德洛伦齐斯,L。;Sauer,R.A.,无分段等几何延伸砂浆接触法,计算。机械。,63, 383-407 (2019) ·Zbl 1462.74152号
[62] 姆利卡,R。;雷纳,Y。;Chouly,F.,大变形摩擦接触和自接触的无偏Nitsche公式,计算。方法应用。机械。工程,325265-288(2017)·Zbl 1439.74220号
[63] Alart,P。;Curnier,A.,《易于采用牛顿型解方法的摩擦接触问题的混合公式》,计算。方法应用。机械。工程,92,353-375(1991)·Zbl 0825.76353号
[64] Christensen,P。;Pang,J.,基于半光滑牛顿方法的摩擦接触算法,(重整:非光滑、分段光滑、半光滑和平滑方法。重整:非平滑、分段光滑,半光滑和光滑方法,应用优化,第22卷(1999),Kluwer学术出版社:荷兰多德雷赫特Kluwer-学术出版社), 81-116 ·Zbl 0937.74078号
[65] 伊藤,K。;Kunisch,K.,Signorini问题的半光滑牛顿方法,应用。数学。,53, 455-456 (2008) ·Zbl 1199.49064号
[66] Hintermüller,M。;Rösel,S.,弹塑性接触问题的基于对偶路径的半光滑牛顿法,J.Compute。申请。数学。,292, 150-173 (2016) ·兹比尔1322.49051
[67] 张,S.G。;Yan,Y.Y。;Ran,R.S.,双膜问题引起的变分不等式的路径允许和半光滑牛顿方法,J.不等式。申请。,1, 1-13 (2019) ·Zbl 1499.49050号
[68] 蒙吉扎,A。;Knight,E.E。;Rougier,E.,《间断的计算力学》(2012),威利:威利纽约
[69] 郑,F。;庄X.Y。;郑浩。;焦Y.Y。;Rabczuk,T.,使用改进的基于势的惩罚函数方法对多面体块体系统进行动力学分析,用于显式不连续变形分析,Appl。数学。型号。,82, 314-335 (2020) ·Zbl 1481.74555号
[70] Hallquist,J.,LS-DYNA理论手册(1998),利弗莫尔软件技术公司:利弗莫尔软件技术公司
[71] Feng,Y.T。;Owen,D.R.J.,《二维多边形/多边形接触模型:算法方面》,国际工程计算杂志。,21, 265-277 (2004) ·Zbl 1062.74651号
[72] Feng,Y.T。;Han,K。;Owen,D.R.J.,《基于能量的多面体对多面体接触模型》,(第三届麻省理工学院计算流体与固体力学会议(2005)论文集,麻省理学院:美国麻省理学学院),210-214
[73] Feng,Y.T。;Han,K。;Owen,D.R.J.,任意形状离散元件的节能接触交互模型,计算。方法应用。机械。工程,205-208,165-177(2012)·Zbl 1239.74065号
[74] 史密斯,K.C。;Alam,M。;Fisher,T.S.,《软摩擦无摩擦柏拉图固体的非热干扰》,Phys。修订版E.,82,第051304条,第(2010)页
[75] Govender,N。;Wilke,D.N。;皮泽特,P。;Abriak,N.E.,《使用Blaze-DEM GPU代码研究球形和多面体粒子系统料斗排放中的形状不均匀性和多分散性》,应用。数学。计算。,319, 318-336 (2018) ·Zbl 1426.74108号
[76] 巴伯,C.B。;Dobkin,D.P。;Huhdanpaa,H.,凸壳的快速壳算法,ACM Trans。数学。软件,22469-483(1996)·Zbl 0884.65145号
[77] 拿骚,B。;Liedke,T。;Kuna,M.,离散元法的多面体粒子,颗粒物质。,15, 85-93 (2013)
[78] Stroud,A.H.,《多重积分的近似计算》(1971年),普伦蒂斯·霍尔公司Englewood Cliffs:Prentice-Hall公司Englewood Cliffs N.J·Zbl 0379.65013号
[79] 严振中。;郑浩。;Ge,X.R.,离散元法中基于统一标定的潜在接触力,岩土力学。,36、249-256(2015),(中文)
[80] 刘,X.N。;Zhao,L.H。;毛,J。;Li,T.C.,有限元-离散元组合法的切向力模型,国际比较。Meth-Sing.公司。,17, 1-32 (2019) ·Zbl 07342699号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。