基于地层信息的并行有限元研究与实现

论文摘要

本文以有限元分析为基础,结合三维地层信息,综合应用演化算法以及并行计算方法进行了岩土工程专业的相关方法的综合集成研究,提出并建立了“基于地层信息的并行有限元智能集成分析”系统,实现面向岩土专业分析功能的系统信息可视化、智能化、并行化、集成化研究。本文主要研究内容概括如下:1.考虑地层信息来源的工程特点,提出了通过等高线、钻孔数据和工程地质剖面图的地层信息模型的生成方法,建立一种基于数字高程模型的三维格网,实现了基于栅格的有限元网格的初步生成。2.本文在COW （a cluster of workstations）平台上通过面向对象方法、C++技术,运用MPI函数编写了三维并行有限元的代码,建立并实现了有关描述有限元模型的类。其中综合运用了区域分解算法,并行共轭梯度法,以及CSR （Compressed Sparse Row）压缩矩阵等方法。本文提出并实现了结合应力释放方法和空气单元方法的并行有限元方法来进行开挖过程的模拟。3.本文引入一种新型的全局优化算法—微分演化算法,并进行了相应的改进,综合集成有限元和并行算法,编制了“微分演化并行有限元智能位移反分析”方法的程序,提高了岩土工程数值反演计算的速度与精度,使得大规模参数识别问题的并行求解成为可能。4.对基于三维地层的并行有限元智能分析系统进行了集成研究,探讨了集成分析系统的总体设计并介绍了系统的功能实现。本系统是利用VC++和DirectX开发工具,基于动态链接库和控件编程的思想,基于工作站机群（COW）环境,开发的独立底层、自主版权集成分析软件。5.通过龙滩水电站的实际应用,证明了三维地层信息系统与并行有限元分析方法以及演化反分析方法的集成的有效性和实用性。

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 地理信息系统
• 2.3 岩土工程有限单元法
• 2.4 并行计算
• 2.5 优化算法
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于三维地层信息的并行有限元智能集成分析系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 开发环境与总体设计
• 3.3 地层信息模型的生成
• 3.4 本章小结
• 第四章 岩土工程并行有限元模块
• 4.1 引言
• 4.2 基于MPI 的并行环境
• 4.3 基于区域分解的并行有限元前处理
• 4.4 总体刚度矩阵分布式CSR 存储
• 4.5 线性方程组分布式并行迭代求解
• 4.6 面向对象的并行有限元集成模块设计
• 4.7 基于并行有限元的开挖过程的设计和验证
• 4.8 本章小结
• 第五章 演化并行有限元位移反分析模块
• 5.1 引言
• 5.2 演化－并行有限元的智能位移反分析
• 5.3 演化－并行有限元的智能位移反分析模块设计
• 5.4 微分演化算法的引入和改进
• 5.5 微分演化智能位移反演模块接口设计
• 5.6 微分演化并行有限元算例
• 5.7 本章小结
• 第六章 工程应用
• 6.1 引言
• 6.2 龙滩水电站的高边坡的工程介绍
• 6.3 基于GIS 地层信息的生成－并行有限元的计算
• 6.4 演化—并行有限元的位移反分析的工程计算
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表的文章与参加的科研
• 致谢