基于CUDA-GPU架构的超二次曲面离散单元并行算法
发布时间：2021-04-12 05:03
大规模离散元的并行计算通常基于理想的球体单元,然而自然界或工业生产中普遍存在的是由非球形颗粒组成的复杂体系,其在不同空间尺度下的动力学行为及力学性质与球形颗粒具有显著差异.基于连续函数包络的超二次曲面单元能有效地构造非球形颗粒的几何形态,并通过非线性Newton迭代算法准确计算单元间的作用力.针对非球形颗粒间接触判断的复杂性及其大规模离散元计算的需求,该文发展了基于CUDA-GPU构架下超二次曲面单元并行算法.该方法在球形颗粒并行计算的基础上,通过核函数建立单元包围盒的粗判断列表及Newton迭代的细判断列表,并优化了并行算法和内存访问模式以提高算法的计算效率.为检验超二次曲面并行算法的可靠性,对非球形颗粒的流动过程进行离散元模拟,并与试验结果进行对比验证.在此基础上,进一步分析了颗粒单元不同长宽比和表面尖锐度对颗粒材料流动特性的影响,为非球形颗粒材料的大规模离散元模拟提供了一种有效的数值方法.
【文章来源】：应用数学和力学. 2019,40(07)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
基于超二次曲面的三维非球形颗粒Fig.1T6ree}limensioualoon-spherical.particlesbasedonsupecyuadricequatiouay并行的离散元算法
最后，根据Anei［i，Iicell］中颗粒i与所有可能接触的颗粒编号的对应关系，将接触对的编号Ilist存储在参考列表Aref［i，Iicell］中．这有利于后续以颗粒编号为并行依据，在GPU上实现每个颗粒接触力和力矩的快速叠加．图2DEM模拟中网格编号与颗粒编号的对应关系Fig．2ＲelationshipbetweenthecelllabelandtheparticlelabelforDEMsimulation(a)重新排序后的颗粒编号(b)网格内的最大和最小颗粒编号(a)Thesortedparticlelabel(b)Maximumandminimumparticlelabelsineachcell图3重新排序后颗粒编号与网格编号的关系Fig．3Ｒelationbetweenthecelllabelandtheparticlelabelaftersorting1．2．2包围盒列表及Newton迭代列表考虑不同长宽比和方向的颗粒单元，以接触对的编号为并行依据，创建每个接触对对应的包围盒列表Lb．这有利于快速剔除不可能发生碰撞的潜在接触对，提高并行程序的运行效率．根据超二次曲面单元3个主轴方向的半轴长建立最小尺寸的六面体，采用基于分离轴理论的方向包围盒(orientedboundingbox，OBB)方法［48］，并依次判断两个单元的6个主轴方向和主轴两两叉乘得到的9个矢量方向，从而确定单元间的接触状态．如果两个六面体在空间向量上的投影相交，则在新数组Lb中存储“1”表示接触，否则存储“0”表示分离．457王嗣强季顺迎
最后，根据Anei［i，Iicell］中颗粒i与所有可能接触的颗粒编号的对应关系，将接触对的编号Ilist存储在参考列表Aref［i，Iicell］中．这有利于后续以颗粒编号为并行依据，在GPU上实现每个颗粒接触力和力矩的快速叠加．图2DEM模拟中网格编号与颗粒编号的对应关系Fig．2ＲelationshipbetweenthecelllabelandtheparticlelabelforDEMsimulation(a)重新排序后的颗粒编号(b)网格内的最大和最小颗粒编号(a)Thesortedparticlelabel(b)Maximumandminimumparticlelabelsineachcell图3重新排序后颗粒编号与网格编号的关系Fig．3Ｒelationbetweenthecelllabelandtheparticlelabelaftersorting1．2．2包围盒列表及Newton迭代列表考虑不同长宽比和方向的颗粒单元，以接触对的编号为并行依据，创建每个接触对对应的包围盒列表Lb．这有利于快速剔除不可能发生碰撞的潜在接触对，提高并行程序的运行效率．根据超二次曲面单元3个主轴方向的半轴长建立最小尺寸的六面体，采用基于分离轴理论的方向包围盒(orientedboundingbox，OBB)方法［48］，并依次判断两个单元的6个主轴方向和主轴两两叉乘得到的9个矢量方向，从而确定单元间的接触状态．如果两个六面体在空间向量上的投影相交，则在新数组Lb中存储“1”表示接触，否则存储“0”表示分离．457王嗣强季顺迎
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析[J]. 王嗣强,季顺迎. 物理学报. 2018(09)
[2]块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析[J]. 严颖,赵金凤,季顺迎. 工程力学. 2017(06)
[3]软物质系颗粒材料组成、微结构与传输性能之间关联建模综述[J]. 许文祥,孙洪广,陈文,陈惠苏. 物理学报. 2016(17)
[4]往复荷载下铁路道砟沉降特性的扩展多面体离散元分析[J]. 孙珊珊,严颖,赵春发,季顺迎. 铁道学报. 2015(11)
[5]基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算[J]. 刘璐,龙雪,季顺迎. 力学学报. 2015(06)
[6]基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法[J]. 严成增,郑宏,孙冠华,葛修润. 岩土力学. 2014(09)
[7]基于OpenMP的非连续变形分析并行计算方法[J]. 付晓东,盛谦,张勇慧. 岩土力学. 2014(08)
[8]海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟[J]. 狄少丞,季顺迎. 力学学报. 2014(04)
[9]基于超二次曲面的非球形离散单元模型研究[J]. 崔泽群,陈友川,赵永志,花争立,刘骁,周池楼. 计算力学学报. 2013(06)
[10]颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响[J]. 常晓林,马刚,周伟,周创兵. 岩土工程学报. 2012(04)
本文编号：3132674
【文章来源】：应用数学和力学. 2019,40(07)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
基于超二次曲面的三维非球形颗粒Fig.1T6ree}limensioualoon-spherical.particlesbasedonsupecyuadricequatiouay并行的离散元算法
最后，根据Anei［i，Iicell］中颗粒i与所有可能接触的颗粒编号的对应关系，将接触对的编号Ilist存储在参考列表Aref［i，Iicell］中．这有利于后续以颗粒编号为并行依据，在GPU上实现每个颗粒接触力和力矩的快速叠加．图2DEM模拟中网格编号与颗粒编号的对应关系Fig．2ＲelationshipbetweenthecelllabelandtheparticlelabelforDEMsimulation(a)重新排序后的颗粒编号(b)网格内的最大和最小颗粒编号(a)Thesortedparticlelabel(b)Maximumandminimumparticlelabelsineachcell图3重新排序后颗粒编号与网格编号的关系Fig．3Ｒelationbetweenthecelllabelandtheparticlelabelaftersorting1．2．2包围盒列表及Newton迭代列表考虑不同长宽比和方向的颗粒单元，以接触对的编号为并行依据，创建每个接触对对应的包围盒列表Lb．这有利于快速剔除不可能发生碰撞的潜在接触对，提高并行程序的运行效率．根据超二次曲面单元3个主轴方向的半轴长建立最小尺寸的六面体，采用基于分离轴理论的方向包围盒(orientedboundingbox，OBB)方法［48］，并依次判断两个单元的6个主轴方向和主轴两两叉乘得到的9个矢量方向，从而确定单元间的接触状态．如果两个六面体在空间向量上的投影相交，则在新数组Lb中存储“1”表示接触，否则存储“0”表示分离．457王嗣强季顺迎
最后，根据Anei［i，Iicell］中颗粒i与所有可能接触的颗粒编号的对应关系，将接触对的编号Ilist存储在参考列表Aref［i，Iicell］中．这有利于后续以颗粒编号为并行依据，在GPU上实现每个颗粒接触力和力矩的快速叠加．图2DEM模拟中网格编号与颗粒编号的对应关系Fig．2ＲelationshipbetweenthecelllabelandtheparticlelabelforDEMsimulation(a)重新排序后的颗粒编号(b)网格内的最大和最小颗粒编号(a)Thesortedparticlelabel(b)Maximumandminimumparticlelabelsineachcell图3重新排序后颗粒编号与网格编号的关系Fig．3Ｒelationbetweenthecelllabelandtheparticlelabelaftersorting1．2．2包围盒列表及Newton迭代列表考虑不同长宽比和方向的颗粒单元，以接触对的编号为并行依据，创建每个接触对对应的包围盒列表Lb．这有利于快速剔除不可能发生碰撞的潜在接触对，提高并行程序的运行效率．根据超二次曲面单元3个主轴方向的半轴长建立最小尺寸的六面体，采用基于分离轴理论的方向包围盒(orientedboundingbox，OBB)方法［48］，并依次判断两个单元的6个主轴方向和主轴两两叉乘得到的9个矢量方向，从而确定单元间的接触状态．如果两个六面体在空间向量上的投影相交，则在新数组Lb中存储“1”表示接触，否则存储“0”表示分离．457王嗣强季顺迎
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析[J]. 王嗣强,季顺迎. 物理学报. 2018(09)
[2]块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析[J]. 严颖,赵金凤,季顺迎. 工程力学. 2017(06)
[3]软物质系颗粒材料组成、微结构与传输性能之间关联建模综述[J]. 许文祥,孙洪广,陈文,陈惠苏. 物理学报. 2016(17)
[4]往复荷载下铁路道砟沉降特性的扩展多面体离散元分析[J]. 孙珊珊,严颖,赵春发,季顺迎. 铁道学报. 2015(11)
[5]基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算[J]. 刘璐,龙雪,季顺迎. 力学学报. 2015(06)
[6]基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法[J]. 严成增,郑宏,孙冠华,葛修润. 岩土力学. 2014(09)
[7]基于OpenMP的非连续变形分析并行计算方法[J]. 付晓东,盛谦,张勇慧. 岩土力学. 2014(08)
[8]海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟[J]. 狄少丞,季顺迎. 力学学报. 2014(04)
[9]基于超二次曲面的非球形离散单元模型研究[J]. 崔泽群,陈友川,赵永志,花争立,刘骁,周池楼. 计算力学学报. 2013(06)
[10]颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响[J]. 常晓林,马刚,周伟,周创兵. 岩土工程学报. 2012(04)
本文编号：3132674
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