岩石动态破坏的多尺度离散数值方法及异构高性能计算程序研究

The discrete numerical methods have many advantages in solving problems of rock dynamic fracturing, but there are two common shortcomings namely the extremely high computational cost for full three-dimensional modeling and the difficulty in selecting micro-mechanical parameters. To tackle these problems, this project will further develop the nonlinear dynamic distinct lattice spring model and the nonlinear dynamic particle based manifold method to establish an efficient multi-scale discrete numerical method for the rock dynamics. A multi-scale constitutive model and a method of parameter selection will be established under the framework of discrete and continuum mechanics, which will be further verified and updated through comparison between numerical simulations and specially designed physical experiments. A high performance computing program for the multi-scale model will be developed by using the hybrid parallel programming technology. This project will finally result in a high performance numerical system for rock dynamics which can be used to study the mechanism of dynamic fracturing of rock and dynamic stability analysis for rock engineering.

计算量过大和本构参数选取过于繁琐是离散数值计算方法用于岩石动态破坏研究的主要缺点。本项目拟结合我国在异构超级计算机研发方面的国际领先优势，通过构建高效的多尺度数值离散方法和异构高性能计算程序来解决这个问题。首先，通过深入发展动力非线性的离散弹簧模型DLSM和颗粒流形方法PMM以建立高效的动力非线性多尺度离散数值方法。其次，在连续介质力学和离散力学框架下，建立多尺度动态本构模型及参数选取方法。此外，通过数值实验和物理实验的对比分析来实现对多尺度数值和本构模型的验证和更新。在此基础上，通过采用混合并行程序设计技术实现多尺度离散模型的计算程序移植，最终形成异构高性能岩石动态破坏分析系统。本项目形成的岩石动力学高性能数值计算系统可用于岩石三维动态破坏机理的研究以及岩石工程动力稳定性问题的分析。

相比于在超级计算机硬件方面的成绩，我国在岩石动力学超高性能数值计算在软件方面的研究尚有欠缺。在项目资助下，团队从岩石动态破坏的细观离散本构理论、宏观本构与细观离散模型的桥接理论、高效前处理算法、异构并行高性能计算四个方面进行了深入研究。主要成果包括：发展了应用于岩石非线性开裂、超高应变率及混合开裂的新型离散本构模型；建立并实现了宏观本构与细观离散数值方法相结合的框架；提出了基于模拟退火法的并行区域分割算法；在天河3号原型机上成功研制了超大规模并行求解器。该求解器突破了国外商业软件对并行求解核心数目的限制，完成了600个CPU大规模并行计算，对10亿单元规模的地下爆炸波传播问题实现了数值仿真求解。相关研究成果发表学术论文13篇，其中8篇发表在本领域最好的国际学术刊物上，此外还申请发明专利3项(1项授权)，软件著作权1项，培养博士研究生1人，硕士研究生7人。为宣传项目成果，还在国内外学术会议上大会主题报告3场，并开设了短课培训班和宣传网站等。项目所开发的理论和技术有望为深入理解岩石动力学破坏机理和解决岩石工程结构在动态载荷（如爆炸、地震等）下稳定性问题提供一种新的高性能岩石动力学数值仿真工具。