岩土工程亿级单元有限元模型可扩展并行计算

讨论了亿万单元有限元模型的可扩展并行计算方法。从软件和硬件两个方面提出了前处理、并行计算方法、程序算法、后处理实现等核心问题的解决方案。采用网格加密方法生成一亿单元的有限元模型,利用对偶原始有限元撕裂内联法（FETI-DP）求解系统方程。基于图论理论建立了子区域间的通讯拓扑关系,实现了子区域间点对点通讯,避免速度慢、通信量大的全局通讯。在自主开发程序基础上,增加相应模块,采用面向对象编程技术和MPI消息传递库开发程序。对一个一亿多单元的工程实例运用5 000核并行计算,得到了超线性加速比。计算结果在专用图形工作站上进行后处理,显示和交互操作速度良好。研究在两方面实现了突破：一是将模型规模提高到了一亿多单元;二是同时调用了5 000个计算核来并行运算,并得到了很高效率。高分辨率有限元并行模拟研究成果可为岩土工程中结构特别复杂、计算区域特别大、地质情况复杂等模拟提供很好的技术方法和实现手段。     

关于岩土工程有限元分析中的若干问题

就有限元法在分析岩土工程问题时所涉及的几个问题，即可变区域边值问题的提法问题，初始地应力场问题，开挖载荷问题，渗透作用力问题等展开了讨论，指出了目前在计算中所存在的一些问题并同时给出了相应的解决方案。     

面向对象有限元方法在岩土工程中的应用

介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点,提出了这种方法在岩土工程中的应用实例,并设计了基于Windows 95/98平台的有限无软件。利用面向对象的方法来研究有限元,是对有限元方法新的有益尝试。     

基于高性能并行计算的隧道开挖数值模拟

随着岩土工程规模的不断扩大、复杂性的增加以及计算参数的多样化和计算精度的提高, 人们对于计算机计算能力的要求越来越高, 然而单处理器无法满足这类大规模计算.从数据输入、区域分解、线性方程组的迭代求解、后处理等方面详细阐述高性能计算平台上并行有限元求解大规模岩土工程的关键问题.提出了利用MPI2的新特性进行海量数据的分段并行读入, 采用ParMetis软件并行地进行区域分解, 实现了前处理过程的完全并行化; 采用基于Jacobi预处理技术的预处理共轭梯度法(PCG)进行线性方程组的并行迭代求解; 采用Paraview软件实现了后处理的并行可视化.在深腾7000系统上对某隧道工程的三维开挖过程进行了数值模拟, 对其并行性能进行了分析和评价, 验证了采用的区域分解算法和系统方程组的求解方法的可行性, 并且具有较高的加速比和并行效率.      

岩质高边坡稳定性有限元分析

在评价边坡稳定性方面，采用弹性本构模型的有限元法是一种值得信赖的方法，它在诸多方法中能简便的处理复杂情况下岩土体边界和地质条件。本文介绍了有限元法边坡稳定性分析基本原理，并结合具体针对玉环高边坡区域构造特征和边坡的工程地质特征，应用有限元法建立了有限元模型及选取参数，进行了稳定性分析，得出了位移圉、应力图、安全系数图，定量的揭示和模拟边坡破坏、变形的过程和机制，并对边坡加固进行了可行的论证和建议。     

注册岩土工程师与岩土工程体制

去年，我国进行首次注册岩土工程师考试，在总结经验的基础上，今年又将进行第2次考试，国内的同行对此表示了极大的关注，对于考试的目的、考试的内容与方法，提出了一些问题，本文就这些问题发表一些个人的看法，与同行们讨论。     

环境岩土工程有关问题探讨

作为岩土工程分支的环境岩土工程是一个新兴的交叉学科，其学科体系还不奶完善，探讨了对它的一些相关问题，包括环境岩土工程内涵，环境岩土工程问题，用岩土工程解决环境问题，环境和岩土工程的协调统一，环境岩土工程对岩土工程的推动伤脑筋主当前国内环境岩土工程研究的方向等。     

论河港的环境岩土工程

简要介绍了环境岩土工程的概念及其研究意义,从大环境和小环境两个方面分析了河港工程建设中的环境岩土工程,并探讨了河港环境岩土工程的研究思路和方法。     

三维过渡等参单元在岩土工程有限元分析中的应用

土石坝等复杂土工结构物有限元三维建模中多采用精度较高的六面体单元辅以部分过渡用的退化单元,而退化单元由于形态不好,会导致有限元计算精度较差。解决该问题的途径之一是采用过渡性的等参元。总结了几种常遇到的过渡等参单元（楔形体、四面体、金字塔）的插值函数和高斯积分局部坐标和权重,并编入了有限元程序。通过比较六面体单元和金字塔单元剖分理想土石坝的有限元计算结果,说明所引入的金字塔单元是满足精度要求的。将各种过渡单元应用于实际土石坝工程的有限元计算,结果表明,使用过渡等参单元是可以在一定程度上提高计算精度的。最后讨论了二次单元在弹塑性有限元动力计算中的应用。二次单元的使用,可以改善动力计算中的超静孔压分布,提高计算精度。     

一种解岩土工程变形体-刚体接触问题的有限元法

大多数的岩土工程问题都会涉及到岩土体-结构之间的相互作用,它们之间界面的合理模拟对计算结果有重要的影响。目前常用的Goodman节理单元、Desai薄层单元等虽然简单好用,但也存在着明显的缺陷。相比之下,作为接触问题计算,可更为合理地模拟接触面的力学行为。针对变形体-刚体这种特殊的接触问题,应用变形体的虚功原理建立了相应的虚功方程,在此基础上得出有限元计算公式,并建立了弹塑性接触问题有限元计算的实现方法。通过对刚性条形基础基底压力分布和刚性挡墙土压力分布等算例的计算,验证了该法的正确性和求解工程问题的有效性。     

基于粗细网格的有限元并行分析方法

并行计算己成为求解大规模岩土工程问题的一种强大趋势。探讨了粗细网格与预处理共轭梯度法结合的并行有限元算法。从多重网格刚度矩阵推得有效的预处理子。该算法在工作站机群上实现。用地基处理时土体强夯的数值模拟分析进行了数值测试,对其并行性能进行了详细分析。计算结果表明：该算法具有良好的并行加速比和效率,是一种有效的并行算法。     

A finite element approach to solve contact problems in geotechnical engineering

This paper presents a finite element approach to solve geotechnical problems with interfaces. The behaviours of interfaces obey the Mohr–Coulomb law. The FEM formulae are constructed by means of the principle of virtual displacement with contact boundary. To meet displacement compatibility conditions on contact boundary, independent degrees of freedom are taken as unknowns in FEM equations, instead of conventional nodal displacements. Examples on pressure distribution beneath a rigid strip footing, lateral earth pressure on retaining walls, behaviours of axially loaded bored piles, a shield‐driven metro tunnel, and interaction of a sliding slope with the tunnels going through it are solved with this method. The results show good agreement with analytical solutions or with in situ test results. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

ParCYCLIC: finite element modelling of earthquake liquefaction response on parallel computers

This paper presents the computational procedures and solution strategy employed in ParCYCLIC, a parallel non‐linear finite element program developed based on an existing serial code CYCLIC for the analysis of cyclic seismically‐induced liquefaction problems. In ParCYCLIC, finite elements are employed within an incremental plasticity, coupled solid–fluid formulation. A constitutive model developed for simulating liquefaction‐induced deformations is a main component of this analysis framework. The elements of the computational strategy, designed for distributed‐memory message‐passing parallel computer systems, include: (a) an automatic domain decomposer to partition the finite element mesh; (b) nodal ordering strategies to minimize storage space for the matrix coefficients; (c) an efficient scheme for the allocation of sparse matrix coefficients among the processors; and (d) a parallel sparse direct solver. Application of ParCYCLIC to simulate 3‐D geotechnical experimental models is demonstrated. The computational results show excellent parallel performance and scalability of ParCYCLIC on parallel computers with a large number of processors. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

An edge-based strain smoothing particle finite element method for large deformation problems in geotechnical engineering

To solve large deformation geotechnical problems, a novel strain-smoothed particle finite element method (SPFEM) is proposed that incorporates a simple and effective edge-based strain smoothing method within the framework of original PFEM. Compared with the original PFEM, the proposed novel SPFEM can solve the volumetric locking problem like previously developed node-based smoothed PFEM when lower-order triangular element is used. Compared with the node-based smoothed PFEM known as “overly soft” or underestimation property, the proposed SPFEM offers super-convergent and very accurate solutions due to the implementation of edge-based strain smoothing method. To guarantee the computational stability, the proposed SPFEM uses an explicit time integration scheme and adopts an adaptive updating time step. Performance of the proposed SPFEM for geotechnical problems is first examined by four benchmark numerical examples: (a) bar vibrations, (b) large settlement of strip footing, (c) collapse of aluminium bars column, and (d) failure of a homogeneous soil slope. Finally, the progressive failure of slope of sensitive clay is simulated using the proposed SPFEM to show its outstanding performance in solving large deformation geotechnical problems. All results demonstrate that the novel SPFEM is a powerful and easily extensible numerical method for analysing large deformation problems in geotechnical engineering.     

岩土工程中的杂交边界点方法

改进了正则化的杂交边界点方法,提出了岩土工程中一种新的数值方法。该方法将基本解的源点布在边界上,避免了自由参数的选取,将修正变分原理同移动最小二乘法结合起来,不但有边界元降维的优点,而且还是一种真正的无网格方法,输入数据只是求解域上离散分布的点,后处理十分简便。同时它适合于处理岩土工程的无限域问题。数值算例表明,它是一种计算精度很高的数值方法,适合于岩土工程中的若干问题。     

岩土工程计算分析的力分配方法

提出了一种岩土工程计算的新方法,即力分配方法。阐述了力分配方法的原理,并详细推导了方法的相应公式。提出的方法,适应于一般的岩土体力学分析,也同样适应于一般的固体力学计算。由于采用分配法计算,因此,该方法具有分配法计算的所有特点：共同避免了组成和解算典型方程,而以逐次渐近的方法来计算节点的不平衡力;其物理概念生动形象,易于掌握,且程序简单。由于该方法所具有的这些特点,其将在岩土工程计算领域有较好的应用前景。     

岩土工程分析中的非协调模型及其应用

针对岩土及地下工程结构的特点,基于修整后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理,转动场采用结点真实转角来插值。结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式,引入适用于任何四边形单元的非协调位移函数,建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型,给出了相关数值计算列式。四结点单元能通过分片检验,并易于与带转动自由度的梁单元相容,对若干算例及地下隧洞工程实例计算的数值结果表明,采用所建的计算模型,具有较高的计算精度,为岩土及地下工程结构计算提供了一种理想的数值分析方法。