基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析

发布时间：2017-09-21 08:11

  本文关键词：基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析

  更多相关文章： 海冰 离散元 海洋平台 船舶结构 冰荷载 GPU并行计算

【摘要】：海冰对海洋结构物的影响是海冰工程问题的重要组成部分,合理分析结构冰荷载是海洋结构设计、海冰防灾减灾的关键。因此,通过数值方法来研究海冰与海洋结构的相互作用过程具有重要的理论研究及工程应用价值。本文以海冰物理力学性质试验为基础,针对不同类型海冰与海洋结构的相互作用过程,建立了可模拟海冰破碎的离散单元模型,并在GPU并行计算平台上对海冰与海洋结构的相互作用过程进行了大规模离散元数值分析。通过与现场冰荷载测量结果比较,验证了该离散元模型在模拟海冰工程问题中的适用性及合理性。在此基础上,开发了相应的并行计算程序。本论文主要研究内容包括：(1)海冰与海洋结构相互作用的离散单元模型的建立。采用梁单元理论来构建海冰的离散元粘结模型,建立了海冰颗粒与三角形单元及圆锥形单元之间的接触模型,通过设定模型中的细观参数模拟了海冰试样的单轴压缩与三点弯曲试验。(2)离散元方法在海冰力学性质模拟中计算参数的验证。分析了宏观海冰力学性质与细观模型参数之间的影响关系,包括：数值模型中颗粒排列方式对力学性质的影响；切向与法向接触刚度比对试样泊松比、弹性模量及压缩强度的影响；分析了切向与法向强度比和颗粒间摩擦系数二者共同对压缩强度与弯曲强度的影响；利用GPU的并行计算能力,分析了颗粒粒径对宏观压缩强度与弯曲强度的影响,研究了离散元模型中由颗粒粒径引起的尺寸效应。在此基础上建立了由海冰宏观力学性质确定离散元模型细观参数的方法。(3)不同类型海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析。对渤海JZ20-2 MUQ平台的锥形桩腿与JZ9-3 MDP-1系缆桩直立腿的冰荷载进行了离散元分析,并与现场实测结果进行了对比；同时将离散元计算结果与ISO冰力标准进行了比较,发现二者得到的冰荷载一致；对六自由度浮式结构的冰荷载进行了离散元数值分析,包括不同密集度的浮冰与Kulluk号海洋平台的相互作用和不同厚度的平整冰与船舶的相互作用,同时在海冰与船舶相互作用的离散元分析中还考虑了不同推力作用下冰荷载的情况。最后,对本文的主要研究内容进行了总结,并对后续研究中的主要问题进行了讨论和展望。
【关键词】：海冰 离散元 海洋平台 船舶结构 冰荷载 GPU并行计算
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.4;U674.38
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-20
• 1 绪论20-38
• 1.1 课题研究的背景与意义20-21
• 1.2 海洋结构冰荷载研究的方法21-35
• 1.2.1 基于测量方法的冰载荷获取方法21-27
• 1.2.2 基于理论分析的冰荷载获取方法27-35
• 1.3 基于GPU的离散元高性能计算35
• 1.4 本文研究内容及结构35-38
• 2 具有粘结效应的离散单元法基本理论38-54
• 2.1 单元间的接触模型38-41
• 2.2 单元的运动方程41-42
• 2.3 单元间的阻尼作用42-44
• 2.4 时间步长44-45
• 2.5 单元间的平行粘结模型45-46
• 2.6 球形颗粒与三角形边界单元的接触模型46-51
• 2.6.1 三角形边界单元46-47
• 2.6.2 接触判断47-50
• 2.6.3 接触力计算50-51
• 2.7 球形颗粒与圆锥形边界的接触模型51-53
• 2.7.1 锥形边界单元51
• 2.7.2 接触判断51-53
• 2.8 小结53-54
• 3 基于CUDA-GPU架构的离散元并行算法54-76
• 3.1 并行计算技术54-55
• 3.1.1 并行计算的基本体系结构54-55
• 3.1.2 并行编程语言和模型55
• 3.2 GPU硬件架构55-57
• 3.2.1 GPU计算的发展历程55-56
• 3.2.2 GPU与CPU硬件比较56-57
• 3.2.3 用于高性能计算的Kepler架构57
• 3.3 CUDA的编程和执行模型57-61
• 3.3.1 CUDA编程方法57-59
• 3.3.2 CUDA线程结构59
• 3.3.3 CUDA存储器模型59-61
• 3.4 离散元并行算法在单GPU上的实现61-70
• 3.4.1 离散元并行算法介绍61-65
• 3.4.2 离散元关键算法的CUDA实现65-70
• 3.5 GPU并行算法的验证70-72
• 3.6 GPU计算性能的测试72-75
• 3.6.1 测试平台与测试算例72-73
• 3.6.2 测试结果分析73-75
• 3.7 小结75-76
• 4 离散元方法在海冰力学性质模拟中计算参数的验证76-113
• 4.1 模型参数校准方法76-78
• 4.2 海冰力学性质的离散元模拟78-85
• 4.2.1 海冰单轴压缩和三点弯曲试验79-80
• 4.2.2 海冰单轴压缩和三点弯曲试验的离散元模拟80-85
• 4.3 关键细观力学参数的选取分析85-106
• 4.3.1 颗粒排列方式对宏观力学特性的影响86-89
• 4.3.2 加载速率对宏观力学特性的影响89
• 4.3.3 接触弹性模量对宏观力学特性的影响89-90
• 4.3.4 海冰破坏强度准则90-97
• 4.3.5 颗粒粒径对力学特性的影响97-103
• 4.3.6 最大粘结强度对压缩强度与弯曲强度的影响103-105
• 4.3.7 卤水体积对压缩强度与弯曲强度的影响105-106
• 4.4 海冰与斜面结构相互作用的DEM模拟106-111
• 4.4.1 冰与斜面结构相互作用的二维理论模型106-108
• 4.4.2 冰与斜面结构相互作用的DEM模拟108-111
• 4.5 小结111-113
• 5 固定式海洋平台结构冰荷载的离散元分析113-145
• 5.1 锥体平台结构冰荷载的离散元分析113-133
• 5.1.1 JZ20-2-MUQ平台现场测量结果113-114
• 5.1.2 单个锥体结构冰荷载的DEM模拟114-121
• 5.1.3 与ISO标准对比121-123
• 5.1.4 不同倾角锥体结构冰荷载的DEM模拟123-128
• 5.1.5 多桩腿锥体导管架平台结构的冰荷载遮蔽效应128-133
• 5.2 直立腿结构冰荷载的离散元分析133-139
• 5.2.1 JZ9-3 MDP-1现场测量结果133
• 5.2.2 冰与直立结构相互作用的DEM模拟133-139
• 5.3 多桩腿自升式海洋平台结构冰荷载的离散元分析139-144
• 5.4 小结144-145
• 6 海冰与浮式平台和船体结构相互作用的离散元分析145-165
• 6.1 浮式海洋结构145-148
• 6.1.1 浮力及拖曳力计算145-146
• 6.1.2 浮式结构的运动求解146-148
• 6.2 浮式海洋平台的冰荷载分析148-155
• 6.3 船舶在冰区航行过程的DEM模拟155-164
• 6.3.1 “雪龙”破冰船DEM模型155-156
• 6.3.2 DEM模拟过程及结果156-162
• 6.3.3 船首线性荷载162-164
• 6.4 小结164-165
• 7 结论与展望165-169
• 7.1 结论165-167
• 7.2 创新点摘要167
• 7.3 研究展望167-169
• 参考文献169-182
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果182-184
• 致谢184-185
• 作者简介185

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