本文關(guān)鍵詞：基于GPU并行算法的海洋平臺(tái)及船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析

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【摘要】：海冰對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的影響是海冰工程問題的重要組成部分,合理分析結(jié)構(gòu)冰荷載是海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海冰防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵。因此,通過數(shù)值方法來研究海冰與海洋結(jié)構(gòu)的相互作用過程具有重要的理論研究及工程應(yīng)用價(jià)值。本文以海冰物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)為基礎(chǔ),針對(duì)不同類型海冰與海洋結(jié)構(gòu)的相互作用過程,建立了可模擬海冰破碎的離散單元模型,并在GPU并行計(jì)算平臺(tái)上對(duì)海冰與海洋結(jié)構(gòu)的相互作用過程進(jìn)行了大規(guī)模離散元數(shù)值分析。通過與現(xiàn)場(chǎng)冰荷載測(cè)量結(jié)果比較,驗(yàn)證了該離散元模型在模擬海冰工程問題中的適用性及合理性。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了相應(yīng)的并行計(jì)算程序。本論文主要研究內(nèi)容包括：(1)海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用的離散單元模型的建立。采用梁單元理論來構(gòu)建海冰的離散元粘結(jié)模型,建立了海冰顆粒與三角形單元及圓錐形單元之間的接觸模型,通過設(shè)定模型中的細(xì)觀參數(shù)模擬了海冰試樣的單軸壓縮與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。(2)離散元方法在海冰力學(xué)性質(zhì)模擬中計(jì)算參數(shù)的驗(yàn)證。分析了宏觀海冰力學(xué)性質(zhì)與細(xì)觀模型參數(shù)之間的影響關(guān)系,包括：數(shù)值模型中顆粒排列方式對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響；切向與法向接觸剛度比對(duì)試樣泊松比、彈性模量及壓縮強(qiáng)度的影響；分析了切向與法向強(qiáng)度比和顆粒間摩擦系數(shù)二者共同對(duì)壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的影響；利用GPU的并行計(jì)算能力,分析了顆粒粒徑對(duì)宏觀壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的影響,研究了離散元模型中由顆粒粒徑引起的尺寸效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上建立了由海冰宏觀力學(xué)性質(zhì)確定離散元模型細(xì)觀參數(shù)的方法。(3)不同類型海洋平臺(tái)及船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析。對(duì)渤海JZ20-2 MUQ平臺(tái)的錐形樁腿與JZ9-3 MDP-1系纜樁直立腿的冰荷載進(jìn)行了離散元分析,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；同時(shí)將離散元計(jì)算結(jié)果與ISO冰力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)二者得到的冰荷載一致；對(duì)六自由度浮式結(jié)構(gòu)的冰荷載進(jìn)行了離散元數(shù)值分析,包括不同密集度的浮冰與Kulluk號(hào)海洋平臺(tái)的相互作用和不同厚度的平整冰與船舶的相互作用,同時(shí)在海冰與船舶相互作用的離散元分析中還考慮了不同推力作用下冰荷載的情況。最后,對(duì)本文的主要研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)后續(xù)研究中的主要問題進(jìn)行了討論和展望。
【關(guān)鍵詞】：海冰 離散元 海洋平臺(tái) 船舶結(jié)構(gòu) 冰荷載 GPU并行計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U661.4;U674.38
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-20
• 1 緒論20-38
• 1.1 課題研究的背景與意義20-21
• 1.2 海洋結(jié)構(gòu)冰荷載研究的方法21-35
• 1.2.1 基于測(cè)量方法的冰載荷獲取方法21-27
• 1.2.2 基于理論分析的冰荷載獲取方法27-35
• 1.3 基于GPU的離散元高性能計(jì)算35
• 1.4 本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)35-38
• 2 具有粘結(jié)效應(yīng)的離散單元法基本理論38-54
• 2.1 單元間的接觸模型38-41
• 2.2 單元的運(yùn)動(dòng)方程41-42
• 2.3 單元間的阻尼作用42-44
• 2.4 時(shí)間步長44-45
• 2.5 單元間的平行粘結(jié)模型45-46
• 2.6 球形顆粒與三角形邊界單元的接觸模型46-51
• 2.6.1 三角形邊界單元46-47
• 2.6.2 接觸判斷47-50
• 2.6.3 接觸力計(jì)算50-51
• 2.7 球形顆粒與圓錐形邊界的接觸模型51-53
• 2.7.1 錐形邊界單元51
• 2.7.2 接觸判斷51-53
• 2.8 小結(jié)53-54
• 3 基于CUDA-GPU架構(gòu)的離散元并行算法54-76
• 3.1 并行計(jì)算技術(shù)54-55
• 3.1.1 并行計(jì)算的基本體系結(jié)構(gòu)54-55
• 3.1.2 并行編程語言和模型55
• 3.2 GPU硬件架構(gòu)55-57
• 3.2.1 GPU計(jì)算的發(fā)展歷程55-56
• 3.2.2 GPU與CPU硬件比較56-57
• 3.2.3 用于高性能計(jì)算的Kepler架構(gòu)57
• 3.3 CUDA的編程和執(zhí)行模型57-61
• 3.3.1 CUDA編程方法57-59
• 3.3.2 CUDA線程結(jié)構(gòu)59
• 3.3.3 CUDA存儲(chǔ)器模型59-61
• 3.4 離散元并行算法在單GPU上的實(shí)現(xiàn)61-70
• 3.4.1 離散元并行算法介紹61-65
• 3.4.2 離散元關(guān)鍵算法的CUDA實(shí)現(xiàn)65-70
• 3.5 GPU并行算法的驗(yàn)證70-72
• 3.6 GPU計(jì)算性能的測(cè)試72-75
• 3.6.1 測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試算例72-73
• 3.6.2 測(cè)試結(jié)果分析73-75
• 3.7 小結(jié)75-76
• 4 離散元方法在海冰力學(xué)性質(zhì)模擬中計(jì)算參數(shù)的驗(yàn)證76-113
• 4.1 模型參數(shù)校準(zhǔn)方法76-78
• 4.2 海冰力學(xué)性質(zhì)的離散元模擬78-85
• 4.2.1 海冰單軸壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)79-80
• 4.2.2 海冰單軸壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的離散元模擬80-85
• 4.3 關(guān)鍵細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的選取分析85-106
• 4.3.1 顆粒排列方式對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響86-89
• 4.3.2 加載速率對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響89
• 4.3.3 接觸彈性模量對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響89-90
• 4.3.4 海冰破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則90-97
• 4.3.5 顆粒粒徑對(duì)力學(xué)特性的影響97-103
• 4.3.6 最大粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的影響103-105
• 4.3.7 鹵水體積對(duì)壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的影響105-106
• 4.4 海冰與斜面結(jié)構(gòu)相互作用的DEM模擬106-111
• 4.4.1 冰與斜面結(jié)構(gòu)相互作用的二維理論模型106-108
• 4.4.2 冰與斜面結(jié)構(gòu)相互作用的DEM模擬108-111
• 4.5 小結(jié)111-113
• 5 固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析113-145
• 5.1 錐體平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析113-133
• 5.1.1 JZ20-2-MUQ平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果113-114
• 5.1.2 單個(gè)錐體結(jié)構(gòu)冰荷載的DEM模擬114-121
• 5.1.3 與ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比121-123
• 5.1.4 不同傾角錐體結(jié)構(gòu)冰荷載的DEM模擬123-128
• 5.1.5 多樁腿錐體導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰荷載遮蔽效應(yīng)128-133
• 5.2 直立腿結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析133-139
• 5.2.1 JZ9-3 MDP-1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果133
• 5.2.2 冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用的DEM模擬133-139
• 5.3 多樁腿自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析139-144
• 5.4 小結(jié)144-145
• 6 海冰與浮式平臺(tái)和船體結(jié)構(gòu)相互作用的離散元分析145-165
• 6.1 浮式海洋結(jié)構(gòu)145-148
• 6.1.1 浮力及拖曳力計(jì)算145-146
• 6.1.2 浮式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)求解146-148
• 6.2 浮式海洋平臺(tái)的冰荷載分析148-155
• 6.3 船舶在冰區(qū)航行過程的DEM模擬155-164
• 6.3.1 “雪龍”破冰船DEM模型155-156
• 6.3.2 DEM模擬過程及結(jié)果156-162
• 6.3.3 船首線性荷載162-164
• 6.4 小結(jié)164-165
• 7 結(jié)論與展望165-169
• 7.1 結(jié)論165-167
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要167
• 7.3 研究展望167-169
• 參考文獻(xiàn)169-182
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果182-184
• 致謝184-185
• 作者簡介185

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本文編號(hào)：893343