超算(suàn)有限元分(fēn)析系統SciFEA—地質與地球物(wù)理(lǐ)行業應用(yòng)解決方案

1、行業計算(suàn)模拟現狀

随著(zhe)計算(suàn)機技術的(de)發展以及觀測水(shuǐ)平的(de)提高(gāo)，數值模拟在地質研究中得(de)到越來(lái)越多(duō)的(de)應用(yòng)。以前必須通(tōng)過實地觀測和(hé)試驗才能得(de)到的(de)結果，可(kě)以通(tōng)過計算(suàn)機數值模拟來(lái)實現；很多(duō)不可(kě)重複的(de)過程，例如地球動力學演化(huà)、大(dà)尺度長(cháng)時(shí)間的(de)緩慢(màn)運動等問題，同樣可(kě)以通(tōng)過數值計算(suàn)來(lái)重現；而且數值方法已成爲大(dà)多(duō)數反演過程不可(kě)缺少的(de)重要組成部分(fēn)。

在衆多(duō)的(de)數值方法中，有限元方法以其嚴謹的(de)理(lǐ)論、方便的(de)操作、相對(duì)可(kě)靠的(de)結果、利于計算(suàn)機實現，尤其能夠方便的(de)實現複雜(zá)幾何模型下(xià)的(de)數值計算(suàn)分(fēn)析等優點，在地質模拟中得(de)到廣泛的(de)應用(yòng)。在資源勘探、地球動力學、地震學等地球科學研究中，很多(duō)學者利用(yòng)有限元方法取得(de)了(le)顯著的(de)成果。但是我們注意到，地質中不斷提出的(de)問題對(duì)有限元的(de)要求也(yě)越來(lái)越高(gāo)，有限元數值方法的(de)完善反過來(lái)大(dà)大(dà)促進了(le)地質科學的(de)發展。基于多(duō)物(wù)理(lǐ)耦合的(de)高(gāo)性能有限元數值模拟必将在地震波場(chǎng)數值模拟、現代地質運動、地震孕育與觸發、盆地演化(huà)、地幔對(duì)流等方面發揮越來(lái)越顯著的(de)作用(yòng)。

2、超算(suàn)解決方案

SciFEA軟件提供的(de)固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊、熱(rè)固耦合模型、孔隙介質模型、結構單元（杆、梁、闆、殼）、彈簧單元、傳熱(rè)模塊（穩态、瞬态）、點對(duì)單元、接觸模塊等，可(kě)以直接滿足地質行業地震勘探、現代地質運動、盆地演化(huà)、地幔對(duì)流方面的(de)計算(suàn)需求。

超算(suàn)科技爲用(yòng)戶提供針對(duì)地質計算(suàn)模拟的(de)特定的(de)處理(lǐ)技術，如考慮地質的(de)非均勻性；考慮地質體的(de)生成與剝蝕；考慮幂率流體、彈塑性損傷等材料非線性；考慮地質的(de)褶皺等幾何非線性；考慮不同地質體之間的(de)碰撞、摩擦等邊界非線性問題；考慮大(dà)尺度地幔對(duì)流時(shí)任意拉格朗日－歐拉描述；考慮地震破裂的(de)節點分(fēn)裂、地震波傳播模拟的(de)吸收邊界、譜有限元技術等。

爲滿足用(yòng)戶計算(suàn)結果分(fēn)析的(de)需要，超算(suàn)科技提供可(kě)考慮不同時(shí)刻的(de)斷層啓動、傾斜斷層、地表不均勻地形、不均勻的(de)地溫分(fēn)布；可(kě)輸出區(qū)域任意點的(de)變形速度、任意方位的(de)庫侖應力、可(kě)用(yòng)戶自定義摩擦模型和(hé)斷裂準則。

超算(suàn)地質行業解決方案圖

爲滿足用(yòng)戶大(dà)規模計算(suàn)的(de)需要，超算(suàn)科技提供用(yòng)戶定制化(huà)的(de)并行計算(suàn)模塊開發和(hé)并行計算(suàn)咨詢服務。并行計算(suàn)可(kě)以根據用(yòng)戶預算(suàn)的(de)情況提供基于機群的(de)MPI并行和(hé)基于GPU的(de)衆核并行兩種解決方案。

3、應用(yòng)案例

闆塊推擠粘彈塑性接觸模拟分(fēn)析

中國科學院青藏高(gāo)原研究所爲研究闆塊推擠過程，采用(yòng)彈塑性和(hé)粘彈性相結合的(de)模型。上地殼采用(yòng)彈塑性模型，屈服準則采用(yòng)D-P準則和(hé)Von-Mises準則；粘彈性用(yòng)Maxwell模型。模型要求考慮速度邊界、靜水(shuǐ)壓力邊界、彈簧邊界三種邊界條件。按庫侖接觸準則考慮斷層的(de)接觸效應，同時(shí)摩擦系數可(kě)随時(shí)間變化(huà)。爲考慮溫度場(chǎng)對(duì)地殼岩石特性的(de)影(yǐng)響和(hé)地形變化(huà)對(duì)變形與應力的(de)影(yǐng)響，可(kě)以根據數據文件給定模型的(de)溫度場(chǎng)和(hé)地形。計算(suàn)模拟時(shí)邊值、粘度可(kě)以随時(shí)間變化(huà)，可(kě)以用(yòng)函數的(de)形式，也(yě)可(kě)以用(yòng)分(fēn)段的(de)形式加以定義。

塑性-粘彈性接觸變形

 塑性-粘彈性接觸應力

地震位錯下(xià)孔隙介質變形與應力分(fēn)析

中國科學院地質與地球所爲模拟地震位錯發生時(shí)的(de)孔隙壓力、地應力的(de)變化(huà)，要求采用(yòng)孔隙彈性本構關系，基于Biot固結理(lǐ)論考慮流固耦合的(de)影(yǐng)響，模拟在給定的(de)地震位錯條件下(xià)庫侖應力随時(shí)間的(de)變化(huà)、孔隙壓力随時(shí)間的(de)變化(huà)。計算(suàn)考慮；靜水(shuǐ)壓力；流體流量三種邊界條件，同時(shí)采用(yòng)節點分(fēn)裂法由地震反演得(de)到的(de)位錯數據模拟發震和(hé)震後地質變形演化(huà)和(hé)庫侖應力、孔隙壓力演化(huà)。通(tōng)過模拟反映了(le)孔隙壓力在震後的(de)規律性變化(huà)。

地震位錯後的(de)孔隙壓力變化(huà)

三維地質建模

4、攜手計算(suàn)

地質計算(suàn)由于物(wù)性、參數、邊界條件的(de)許多(duō)不确定性，對(duì)于地質的(de)模拟相當困難，所以地質行業有許多(duō)挑戰性的(de)課題。超算(suàn)科技将攜手廣大(dà)科技工作者結合理(lǐ)論、實驗和(hé)數值模拟共同面對(duì)這(zhè)樣的(de)挑戰。結合超算(suàn)科技計算(suàn)模拟技術積累，我們希望在以下(xià)具體的(de)開發方向上和(hé)您攜手進行計算(suàn)模拟分(fēn)析與研究。
基于有限元的(de)地震波模拟；
岩石損傷與破裂機理(lǐ)模拟；
地震孕育與觸發機理(lǐ)模拟；
孔隙介質變形與動力過程模拟；
地震發生的(de)力學穩定性問題；
地震導緻的(de)強地面運動分(fēn)析；
地質運動與前陸盆地形成機理(lǐ)研究。