复杂工程力学高性能应用软件系统研发

发布时间：2019-11-20 02:30:28

中国水利水电科学研究院牵头承担“十三五”国家重点研发计划项目共19项，根据专业管理机构统一安排，第二批到期项目已顺利通过科技部主管部门组织的项目综合绩效评价。

已评价项目全面完成了任务书规定的研究内容和考核指标要求，取得多项突破性进展，有力支撑了黄河流域高质量发展、雄安新区水源保障、黑龙江复杂河道治理、水资源精细化管理与科学化调度、节水型社会和国家重大工程建设，为国家粮食安全、供水安全、经济安全、生态安全提供了科技支撑和服务保障。现陆续推出相关研究成果，供科技工作者交流探讨。

一、研究背景

三峡工程是世界最大水利水电工程，其服役性态评估的关键之一是应力状态的准确把握，光机装置是研究热核聚变的重大科学实验装置，设计建造成败取决于精度控制。传统的混凝土大坝应力计算难以与观测结果良好吻合，无法有效支撑大坝长期运行安全评价，光机装置结构稳定性计算难以满足μ级精度要求，亟需研制复杂工程力学高性能仿真软件系统，支撑以三峡工程和光机装置为代表的重大水利水电工程和装备制造安全建设和运行。

二、研究成果

项目面向工程力学E级计算，围绕共性基础算法与精细物理建模、工程力学高性能计算共性技术、行业软件开发和集成、重大工程示范应用开展研究，研发形成了一套涵盖静动力分析、多场耦合分析、弹塑性损伤分析、过程仿真分析、库岸垮塌分析等14项主要功能的工程力学高性能应用软件系统，计算模型和并行能力分别突破100亿自由度和60万核，已部署在“天河二号”、成都超算“曙光T7000”等国家级超算平台；首次建立三峡大坝整坝高分辨率模型并进行全坝仿真和动力分析，实现工作性态整体评估，大坝关键坝段坝顶最大变形计算值与监测值偏差在 5%以内；首次实现光机装置全系统模型，获得了光机关键部位微振动位移计算结果与试验测试结果在同一量级的重要进展。

高精度共性算法和高置信度模型

项目发展了比例边界有限元多边形技术，提出了应力高精度的比例边界多边形和多面体单元；发展了从震源起至坝址场地的宽频带地震动时空传播模拟的谱元法，提出了复杂地基条件下结构-库水-地基动力相互作用的高精度计算模型；建立了岩石混凝土类准脆性材料和岩土散粒材料的尺度相关、时效影响的精细物理本构模型。

图1 共性算法和模型

复杂几何结构超大规模高效建模技术

围绕复杂工程系统的连续与非连续几何离散应用共性需求，基于数字高程、切割成型和八叉树网格自动剖分技术的大范围基础、复杂构造的模型生成技术；突破了解法器友好的非协调界面粘结处理、几何特征自适应的网格尺寸控制、面向复杂CAD模型的并行四面体网格生成等关键技术，解决了超大规模非结构网格建模的可扩展性瓶颈问题，研发了复杂地质构造-建筑物系统的“100亿单元”非结构网格的高可扩展建模软件。

图2 复杂结构超大规模高效建模技术

面向十亿亿次计算的复杂工程力学高性能应用软件系统

研制了面向复杂结构的“100亿自由度”规模的线性解法器；研发了包括FEM、GFEM、XFEM及多种非连续性分析数值方法的高性能计算力学共性层和计算支撑平台；实现了水利行业软件SAPTIS、装备制造行业软件PANDA、库岸垮塌软件DisFlow等大规模并行优化。软件系统最大并行核数600600核，计算规模156亿自由度，千万量级自由度大坝全过程仿真问题计算耗时由110天（单机48核并行）减少至4天（1200核），减少96%，大幅提升计算规模和效率，软件并行能力和计算规模在可用同类软件中处于世界领先地位。

图3 复杂工程力学高性能应用软件及应用

三峡工程与光机装置全系统仿真模拟

首次建立了全面反映细部结构和复杂地质条件的三峡工程亚米级分辨率精细有限元模型，网格规模达205亿单元；首次实现三峡全坝温度场、变形场、应力场模拟分析和极端地震荷载下动力分析，实现了正常工作和极端地震条件下的综合性能评估；首次建立了光机装置基础-靶球跨尺度有限元模型，完成了光机装置全系统仿真模拟，实现了光机振动特性和稳定性的高精度评估。

图3 三峡全坝模型和仿真成果

三、推广应用

软件系统已在溪洛渡水电站、乌东德水电站、白鹤滩水电站、锦屏一级水电站、拉西瓦水电站果卜边坡、南水北调中线穿黄隧洞工程、白格滑坡等进行应用，取得了良好的科学和社会经济效益。

后续将在数字孪生水利工程建设中积极发挥作用，支撑孪生大坝工程建设，实现物理大坝和数字大坝同步运行，达到预报、预警、预演、预案目标。

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