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

  更多相關(guān)文章： 海冰 離散元 海洋平臺 船舶結(jié)構(gòu) 冰荷載 GPU并行計算

【摘要】：海冰對海洋結(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、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)用價值。本文以海冰物理力學(xué)性質(zhì)試驗為基礎(chǔ),針對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并行計算平臺上對海冰與海洋結(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)場冰荷載測量結(jié)果比較,驗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彎曲試驗。(2)離散元方法在海冰力學(xué)性質(zhì)模擬中計算參數(shù)的驗證。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力學(xué)性質(zhì)的影響；切向與法向接觸剛度比對試樣泊松比、彈性模量及壓縮強度的影響；分析了切向與法向強度比和顆粒間摩擦系數(shù)二者共同對壓縮強度與彎曲強度的影響；利用GPU的并行計算能力,分析了顆粒粒徑對宏觀壓縮強度與彎曲強度的影響,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)不同類型海洋平臺及船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析。對渤海JZ20-2 MUQ平臺的錐形樁腿與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)場實測結(jié)果進(jìn)行了對比；同時將離散元計算結(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號海洋平臺的相互作用和不同厚度的平整冰與船舶的相互作用,同時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,對本文的主要研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),并對后續(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 船舶結(jié)構(gòu) 冰荷載 GPU并行計算
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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 單元的運動方程41-42
• 2.3 單元間的阻尼作用42-44
• 2.4 時間步長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 并行計算技術(shù)54-55
• 3.1.1 并行計算的基本體系結(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存儲器模型59-61
• 3.4 離散元并行算法在單GPU上的實現(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實現(xiàn)65-70
• 3.5 GPU并行算法的驗證70-72
• 3.6 GPU計算性能的測試72-75
• 3.6.1 測試平臺與測試算例72-73
• 3.6.2 測試結(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)模擬中計算參數(shù)的驗證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彎曲試驗79-80
• 4.2.2 海冰單軸壓縮和三點彎曲試驗的離散元模擬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 顆粒排列方式對宏觀力學(xué)特性的影響86-89
• 4.3.2 加載速率對宏觀力學(xué)特性的影響89
• 4.3.3 接觸彈性模量對宏觀力學(xué)特性的影響89-90
• 4.3.4 海冰破壞強度準(zhǔn)則90-97
• 4.3.5 顆粒粒徑對力學(xué)特性的影響97-103
• 4.3.6 最大粘結(jié)強度對壓縮強度與彎曲強度的影響103-105
• 4.3.7 鹵水體積對壓縮強度與彎曲強度的影響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 固定式海洋平臺結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析113-145
• 5.1 錐體平臺結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析113-133
• 5.1.1 JZ20-2-MUQ平臺現(xiàn)場測量結(jié)果113-114
• 5.1.2 單個錐體結(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)場測量結(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 浮力及拖曳力計算145-146
• 6.1.2 浮式結(jié)構(gòu)的運動求解146-148
• 6.2 浮式海洋平臺的冰荷載分析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)位期間科研項目及科研成果182-184
• 致謝184-185
• 作者簡介185

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1 張慶河;張娜;;渤海海冰演化的三維數(shù)值模型[J];天津大學(xué)學(xué)報;2013年04期

2 楊希宏 ,劉桂海;海冰對港口通航的影響[J];港工技術(shù);1990年01期

3 岳前進(jìn),任曉輝,陳巨斌;海冰韌脆轉(zhuǎn)變實驗與機理研究[J];應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報;2005年01期

4 王文輝,王相玉,袁本坤;曹妃甸鄰近海域的海冰狀況與特征[J];海岸工程;2005年03期

5 許映軍;李寧;顧衛(wèi);史培軍;崔維佳;;控溫法海冰凍融固態(tài)脫鹽技術(shù)研究[J];應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報;2006年04期

6 張方儉;我國的海冰[J];中國航海;1982年02期

7 戚隆溪,王柏懿;關(guān)于離岸工程結(jié)構(gòu)的冰載[J];力學(xué)進(jìn)展;1983年01期

8 龔家龍;;海冰衛(wèi)星實況圖像開始電視試播[J];遙感信息;1988年02期

9 鄭新江;趙長海;;衛(wèi)星遙感技術(shù)在海冰減災(zāi)中的應(yīng)用[J];遙感信息;1991年03期

10 李洪升,岳前進(jìn),沈梧;海冰的粘性效應(yīng)及模型理論[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;1993年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 郭井學(xué);李鑫;席穎;李丙瑞;;雷達(dá)技術(shù)在極地海冰厚度探測中的應(yīng)用研究[A];中國地球物理2010——中國地球物理學(xué)會第二十六屆年會、中國地震學(xué)會第十三次學(xué)術(shù)大會論文集[C];2010年

2 武皓微;龐永杰;;海冰的危害及其淡化利用[A];第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集(中)[C];2011年

3 孫波;何茂兵;康建成;溫家洪;李院生;;探地雷達(dá)對北冰洋海冰的探測與分析[A];中國地球物理學(xué)會年刊2002——中國地球物理學(xué)會第十八屆年會論文集[C];2002年

4 王幫兵;孫波;田鋼;郭井學(xué);張向培;;三維雷達(dá)方法探測北極夏季海冰[A];中國地球物理學(xué)會第22屆年會論文集[C];2006年

5 郭井學(xué);孫波;;電磁感應(yīng)方法在波西尼亞灣海冰厚度探測中的應(yīng)用[A];中國地球物理學(xué)會第二十三屆年會論文集[C];2007年

6 王剛;季順迎;呂和祥;岳前進(jìn);;海冰的廣義雙剪粘彈塑性本構(gòu)模型[A];數(shù)學(xué)·力學(xué)·物理學(xué)·高新技術(shù)研究進(jìn)展——2006（11）卷——中國數(shù)學(xué)力學(xué)物理學(xué)高新技術(shù)交叉研究會第11屆學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2006年

7 吳輝碇;;海冰動力學(xué)過程的數(shù)值模擬[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會經(jīng)濟發(fā)展（上冊）[C];1999年

8 李彥青;蘇潔;汪洋;郭曉葭;翟夢茜;;渤海海冰距離侯平均時間序列構(gòu)建與分析[A];第28屆中國氣象學(xué)會年會——S3天氣預(yù)報災(zāi)害天氣研究與預(yù)報[C];2011年

9 周琳琳;康建成;益建芳;張小偉;;被動微波遙感與南極海冰[A];中國地球物理學(xué)會年刊2002——中國地球物理學(xué)會第十八屆年會論文集[C];2002年

10 周凱;;基于機載多傳感器系統(tǒng)的海冰航空遙測研究[A];第十四屆全國遙感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2003年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 本報記者 周潔;海冰不期而至[N];中國氣象報;2010年

2 記者 馮君　王晨;渤海海冰范圍比常年平均偏大2.1倍[N];中國氣象報;2010年

3 本報記者 張一玲;科學(xué)利用海冰資源 淡化研究取得進(jìn)展[N];中國海洋報;2010年

4 本報記者 鄭楊;海冰預(yù)警：科技大顯身手[N];經(jīng)濟日報;2010年

5 海貝;走近海冰[N];中國漁業(yè)報;2010年

6 記者 閆平;海冰淡化離我們還有多遠(yuǎn)[N];經(jīng)濟參考報;2010年

7 本報記者 丁雷;海冰——變害為利正當(dāng)時[N];大連日報;2010年

8 記者 李大慶;我首創(chuàng)利用海冰水灌溉農(nóng)田[N];科技日報;2005年

9 本報特派記者 陳瑜;“行走”海冰上[N];科技日報;2010年

10 通訊員 謝盼　張博;河北：海冰融化影響水產(chǎn)養(yǎng)殖[N];中國氣象報;2011年

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1 季順迎;渤海海冰數(shù)值模擬及其工程應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2001年

2 張晰;極化SAR渤海海冰厚度探測研究[D];中國海洋大學(xué);2011年

3 王杭州;海冰基太陽輻照度剖面自動監(jiān)測及校正技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2015年

4 樊婷婷;近30年來南極海冰增長的本質(zhì)特征及其影響機制[D];中國海洋大學(xué);2015年

5 鐘文理;波弗特流渦系統(tǒng)下的加拿大海盆中上層海洋多年變化及其機制[D];中國海洋大學(xué);2015年

6 郝光華;北極海冰密集度反演與季節(jié)性海冰雙模態(tài)特征研究[D];中國海洋大學(xué);2015年

7 季青;基于衛(wèi)星測高技術(shù)的北極海冰厚度時空變化研究[D];武漢大學(xué);2015年

8 陳國棟;利用ICESat數(shù)據(jù)確定北極冰雪消融方法的研究[D];武漢大學(xué);2015年

9 狄少丞;基于GPU并行算法的海洋平臺及船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析[D];大連理工大學(xué);2015年

10 趙寶剛;渤海遼東灣冰區(qū)工程點雷達(dá)海冰監(jiān)測和預(yù)報技術(shù)研究[D];大連海事大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張樹剛;夏季北冰洋海冰融化過程中能量分配的研究[D];中國海洋大學(xué);2009年

2 張蕊;北極夏季海冰表面融池形態(tài)分析[D];大連理工大學(xué);2010年

3 宋艷平;極區(qū)油船與冰碰撞的非線性有限元仿真研究[D];大連海事大學(xué);2015年

4 劉立劍;基于C波段PolSAR的多特征融合的海冰厚度反演[D];大連海事大學(xué);2015年

5 李明廣;夏季南極普里茲灣海冰及其光學(xué)特征觀測研究[D];大連理工大學(xué);2015年

6 馬珊珊;基于圖像處理的GOCI衛(wèi)星海冰漂移監(jiān)測技術(shù)研究[D];青島科技大學(xué);2015年

7 吳青;基于GOCI衛(wèi)星的渤海海冰漂移監(jiān)測[D];合肥工業(yè)大學(xué);2014年

8 沈楊;結(jié)合MRF與v-SVM的SAR海冰圖像分類[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

9 劉燦俊;結(jié)合相干斑抑制和區(qū)域生長的SAR海冰圖像MRF分割方法研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2014年

10 昂安;帶有區(qū)域分裂自適應(yīng)細(xì)化過程的SAR海冰圖像分割[D];合肥工業(yè)大學(xué);2014年

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本文編號：893343