预静载作用下的三维细观模型并行计算分析

基于PFEPG平台已经完成三维混凝土细观力学静动力分析并行程序。为了反映混凝土细观结构力学参数的不均性，混凝土细观力学模型要求细观各相单元的力学特性参数按对数正态分布。实际上，在vde文件中的材料种类数为计算域的全部单元的个数。因此，在利用FEPG.GID完成有限元前处理后，还要对材料参数进行修改，即将各场存放单元编码及材料参数的文件elem0和elemb0中对应材料参数替换为按随机骨料随机参数生成的单元材料参数，然后再进行并行计算。这些工作就是要对模型进行细观剖分，其主要步骤为：

（1）将FEPG.GID生成的细观区域的有限元结点编码和单元编码数据块整理，作为细观剖分程序的输入数据。

（2）用骨料模型生成程序产生骨料分布。

（3）通过细观剖分程序将骨料分布模型投影到细观区域的有限元网格上。运行细观剖分程序得到细观单元的属性，即骨料单元、固化水泥砂浆单元和界面单元属性，并统计各类型单元的数目，然后按照表14.1中的各种单元的力学特性统计参数根据蒙特卡罗方法确定每个单元的弹性模量和抗拉强度，此时一个单元对应一种材料参数。

（4）用新生成的单元材料参数覆盖GID生成的elem0和elemb0中细观区域的单元编码和材料参数。

图14.11　模型并行计算分区图

至此，全部前处理数据准备完毕。在计算中利用坐标分区的算法，与并行计算结点相对应，将计算区域分为四块，分区partition.dat文件为

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数为2，y方向剖分数为2，z方向剖分数为1，分区图如图14.11所示。

对图14.10所示的湿筛混凝土三维细观数值模型进行了不同预静载作用下并行计算分析，计算结果如 图14.12和 图14.13所 示。图14.13是根据图14.12中的应力—位移曲线得到动力增强系数，即相对弯拉强度随在施加冲击荷载之前的静载水平变化的情况。图14.13显示，动力增强系数随预静载水平变化的趋势与相应的二维模型计算结果基本一致。

图14.12　预静载作用下混凝土三维细观模型应力—位移曲线

（a）应力—位移曲线；（b）应力—位移局部放大曲线

图14.13　预静载对静动综合强度的影响

上面三维模型并行计算硬件环境为，CPU主频为3G、内存为1G的4个PC结点，千兆以太网连接的并行机群。最大控制位移为5.0×10－4，非线性迭代位移误差范数控制为10－15，最大迭代次数为15次。静力计算耗时56227s约15.6h，动力计算耗时76230s约21h，有预静载的情况介于两者之间。该模型利用第12章编写的串行程序在Sun Fire 6800（CPU主频1.2G）静载计算耗时约355.5h，约15天的时间。相比之下，并行计算大大提高了计算效率。

另外，在上述计算环境下，对将图14.10所示的湿筛试件各区域均取宏观混凝土材料参数进行静力计算，耗时10h。比细观静力计算少5.6h。显然是由于细观模型参数的增多一方面增大了通信量，另一方面也增大了内存占有量造成的。