超算有限元分析系統(tǒng)SciFEA—地質(zhì)與地球物理行業(yè)應(yīng)用解決方案

1、行業(yè)計(jì)算模擬現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及觀測水平的提高，數(shù)值模擬在地質(zhì)研究中得到越來越多的應(yīng)用。以前必須通過實(shí)地觀測和試驗(yàn)才能得到的結(jié)果，可以通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn)；很多不可重復(fù)的過程，例如地球動力學(xué)演化、大尺度長時(shí)間的緩慢運(yùn)動等問題，同樣可以通過數(shù)值計(jì)算來重現(xiàn)；而且數(shù)值方法已成為大多數(shù)反演過程不可缺少的重要組成部分。

在眾多的數(shù)值方法中，有限元方法以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?、方便的操作、相對可靠的結(jié)果、利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，尤其能夠方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何模型下的數(shù)值計(jì)算分析等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)模擬中得到廣泛的應(yīng)用。在資源勘探、地球動力學(xué)、地震學(xué)等地球科學(xué)研究中，很多學(xué)者利用有限元方法取得了顯著的成果。但是我們注意到，地質(zhì)中不斷提出的問題對有限元的要求也越來越高，有限元數(shù)值方法的完善反過來大大促進(jìn)了地質(zhì)科學(xué)的發(fā)展?；诙辔锢眈詈系母咝阅苡邢拊獢?shù)值模擬必將在地震波場數(shù)值模擬、現(xiàn)代地質(zhì)運(yùn)動、地震孕育與觸發(fā)、盆地演化、地幔對流等方面發(fā)揮越來越顯著的作用。

2、超算解決方案

SciFEA軟件提供的固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊、熱固耦合模型、孔隙介質(zhì)模型、結(jié)構(gòu)單元（桿、梁、板、殼）、彈簧單元、傳熱模塊（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)）、點(diǎn)對單元、接觸模塊等，可以直接滿足地質(zhì)行業(yè)地震勘探、現(xiàn)代地質(zhì)運(yùn)動、盆地演化、地幔對流方面的計(jì)算需求。

超算科技為用戶提供針對地質(zhì)計(jì)算模擬的特定的處理技術(shù)，如考慮地質(zhì)的非均勻性；考慮地質(zhì)體的生成與剝蝕；考慮冪率流體、彈塑性損傷等材料非線性；考慮地質(zhì)的褶皺等幾何非線性；考慮不同地質(zhì)體之間的碰撞、摩擦等邊界非線性問題；考慮大尺度地幔對流時(shí)任意拉格朗日－歐拉描述；考慮地震破裂的節(jié)點(diǎn)分裂、地震波傳播模擬的吸收邊界、譜有限元技術(shù)等。

為滿足用戶計(jì)算結(jié)果分析的需要，超算科技提供可考慮不同時(shí)刻的斷層啟動、傾斜斷層、地表不均勻地形、不均勻的地溫分布；可輸出區(qū)域任意點(diǎn)的變形速度、任意方位的庫侖應(yīng)力、可用戶自定義摩擦模型和斷裂準(zhǔn)則。

超算地質(zhì)行業(yè)解決方案圖

為滿足用戶大規(guī)模計(jì)算的需要，超算科技提供用戶定制化的并行計(jì)算模塊開發(fā)和并行計(jì)算咨詢服務(wù)。并行計(jì)算可以根據(jù)用戶預(yù)算的情況提供基于機(jī)群的MPI并行和基于GPU的眾核并行兩種解決方案。

3、應(yīng)用案例

板塊推擠粘彈塑性接觸模擬分析

中國科學(xué)院青藏高原研究所為研究板塊推擠過程，采用彈塑性和粘彈性相結(jié)合的模型。上地殼采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則和Von-Mises準(zhǔn)則；粘彈性用Maxwell模型。模型要求考慮速度邊界、靜水壓力邊界、彈簧邊界三種邊界條件。按庫侖接觸準(zhǔn)則考慮斷層的接觸效應(yīng)，同時(shí)摩擦系數(shù)可隨時(shí)間變化。為考慮溫度場對地殼巖石特性的影響和地形變化對變形與應(yīng)力的影響，可以根據(jù)數(shù)據(jù)文件給定模型的溫度場和地形。計(jì)算模擬時(shí)邊值、粘度可以隨時(shí)間變化，可以用函數(shù)的形式，也可以用分段的形式加以定義。

塑性-粘彈性接觸變形

 塑性-粘彈性接觸應(yīng)力

地震位錯(cuò)下孔隙介質(zhì)變形與應(yīng)力分析

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球所為模擬地震位錯(cuò)發(fā)生時(shí)的孔隙壓力、地應(yīng)力的變化，要求采用孔隙彈性本構(gòu)關(guān)系，基于Biot固結(jié)理論考慮流固耦合的影響，模擬在給定的地震位錯(cuò)條件下庫侖應(yīng)力隨時(shí)間的變化、孔隙壓力隨時(shí)間的變化。計(jì)算考慮；靜水壓力；流體流量三種邊界條件，同時(shí)采用節(jié)點(diǎn)分裂法由地震反演得到的位錯(cuò)數(shù)據(jù)模擬發(fā)震和震后地質(zhì)變形演化和庫侖應(yīng)力、孔隙壓力演化。通過模擬反映了孔隙壓力在震后的規(guī)律性變化。

地震位錯(cuò)后的孔隙壓力變化

三維地質(zhì)建模

4、攜手計(jì)算

地質(zhì)計(jì)算由于物性、參數(shù)、邊界條件的許多不確定性，對于地質(zhì)的模擬相當(dāng)困難，所以地質(zhì)行業(yè)有許多挑戰(zhàn)性的課題。超算科技將攜手廣大科技工作者結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬共同面對這樣的挑戰(zhàn)。結(jié)合超算科技計(jì)算模擬技術(shù)積累，我們希望在以下具體的開發(fā)方向上和您攜手進(jìn)行計(jì)算模擬分析與研究。
基于有限元的地震波模擬；
巖石損傷與破裂機(jī)理模擬；
地震孕育與觸發(fā)機(jī)理模擬；
孔隙介質(zhì)變形與動力過程模擬；
地震發(fā)生的力學(xué)穩(wěn)定性問題；
地震導(dǎo)致的強(qiáng)地面運(yùn)動分析；
地質(zhì)運(yùn)動與前陸盆地形成機(jī)理研究。