超算有限元分析系统SciFEA—建筑结构行业应用解决方案

1、行业计算模拟现状

建筑结构工程作为最早期的工程学科之一涵盖着相当广泛的科学技术领域。从土木建筑、桥梁结构、水工结构，到公路、隧道、地下工程等方面都离不开结构的设计与计算分析。计算模拟在这一领域起步最早、发展最快。国外大型模拟软件大都是从满足结构计算开始的。目前，数值模拟在建筑结构行业发展的相当成熟，不仅有大量的通用模拟软件、而且还有众多的针对某个专业需求的数值模拟软件可供选择。但目前结构工程数值模拟方面主要的困难表现在以下两个方面：一是物理场耦合分析开发的难度大，很多方面工作才刚刚起步，如热舒适环境优化设计与火灾热影响分析、车辆桥梁耦合分析、风桥耦合非线性分析、海洋结构海浪冲击-海水腐蚀共同作用分析等。二是和建筑结构紧密相连的地基与基础建模分析，国内外的很多工程往往因为地基和基础处理的不正确而导致建筑结构工程的失效和破坏。万丈高楼平地起，地的问题很复杂，性质多变，在计算模拟上通过模型把握有不小的困难，需要综合考虑的因素很多，这对计算模拟也提出了很大的挑战。

2、解决方案

SciFEA软件提供的固体弹性、弹塑性、粘弹性模块、热固耦合模型、孔隙介质模型、结构单元（杆、梁、板、壳）、弹簧单元、传热模块（稳态、瞬态）、点对单元、接触模块、渗流模块、流固耦合模块等，可以直接满足建筑结构行业上部结构、基础、地基、地下结构等方面的计算需求。

超算科技针对结构中计算中、特别是结构地基与软弱层方面模拟的复杂性，提供专业化软件定制。可以模拟考虑不同的岩土结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应。可以为用户提供的计算元素包括模拟原始地应力场、渗流场；模拟复杂的地质构造（地层、断层、软弱结构面）、岩层层状模型；模拟施工过程和施工方法、分层分部位开挖建造；模拟喷混凝土衬砌和锚杆、锚索、预应力锚索支护；模拟岩锚吊车梁施工及吊车荷载施加；模拟蜗壳混凝土回填施工；模拟各向异性和非均质性；适应于岩土的多种屈服准则（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、DPY准则、Zienkiewicz－Pande、广义双剪等常用函数和用户自定义屈服函数）

超算建筑结构行业解决方案

为满足用户大规模计算的需要，超算科技提供用户定制化的并行计算模块开发和并行计算咨询服务。并行计算可以根据用户预算的情况提供基于机群的MPI并行和基于GPU的众核并行两种解决方案。

3、应用案例
地下厂房开挖与建造过程模拟
某电站建设管理公司为优化电站地下工程的设计和施工，需要模拟不同的施工工艺过程中的围岩稳定状态，在保证安全的前提下为设计的优化和施工程序的安排提供信息指导。
模拟计算遇到的主要困难包括考虑岩石层理结构横观各向同性弹塑性特征；需要考虑主变室及尾水隧洞所处岩层数条大的薄层对围岩稳定的影响；如何有效处理大量锚杆支护对围岩的力学作用；以及岩体渗流对围岩稳定的影响。通过各向异性本构输入、非匹配网格迭代计算、变形能体积平均化、生死节点等技术处理解决了计算中遇到的主要困难，为电站围岩稳定性分析提供了有价值的参考。

洞室群结构三维有限元网格图

软弱结构面fj2、fj5、fj4部分网格图

空间等水头面

岩溶管道横剖面等水头线

基础沉降分析

中国建筑科学研究院地基研究所为考虑了塔楼-地基-基础的相互作用，对地基沉降、地基反力、基础片筏和塔楼梁、柱的变形和内力进行模拟。要求计算模拟考虑地基正常固结土压缩指数、天然孔隙比、压缩模量、平面内不均匀时的有限压缩模型计算；考虑地基超固结土压缩指数、回弹再压缩指数、天然孔隙比、回弹再压缩模量平面内不均匀时的有限压缩模型计算；实现用简化算法将有限元计算出的变形和反力采用结构力学方法叠加得到筏板基础的弯矩分布和剪力分布。通过计算模拟开发实现了塔楼-地基-基础的相互作用，反映了上部结构对地基、基础不仅是荷载关系，而且有很强的约束机制。

地基处理前的变形VS地基处理后的变形

地基处理前的反力VS地基处理后的反力

4、携手计算

建筑结构计算在和地基、基础结合，在和其他物理量耦合方面还依然存在许多挑战性课题。超算科技将携手广大科技工作者和工程师结合理论、实验和数值模拟共同面对这样的挑战。利用超算科技计算模拟技术积累，我们希望在以下具体的开发方向上和您携手进行计算模拟分析与研究。
岩土与地下工程开发利用中的数值模拟；
建筑物、构筑物和地基基础的相互作用模拟；
岩土本构模型的研究与计算模拟分析；
建筑结构与各种荷载、质量单元的相互耦合作用；
基于材料非线性的力学稳定性分析；
基于几何非线性的动力稳定性分析。