[发明专利]一种百亿级颗粒模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种百亿级颗粒模型的构建方法，依次通过1)利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；2)将待构建物体的数字模型离散成由若干个规则排布的简单三维形体构成的有限元模型；3)对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；4)基于步骤S3得到的数据筛选结果生成百亿级颗粒模型或包含任意指定位置的局部模型；该方法采用数据量非常小的有限元几何模型进行压缩表征，在保证可视化的前提下，有效地避免了“显存容量限制模型规模大小”的瓶颈，该方法改变传统的数值计算流程，使CPU能够更快地对数据进行存取，解决了海量计算结果的存储、耗时问题。

技术领域

本发明涉及数字模型构建技术领域，特别涉及一种百亿级颗粒模型的构建方法。

背景技术

在岩石工程领域，对大型实体结构采用数值计算的方法进行研究已逐渐成为一种重要的研究方法，但是庞大的计算量需求一直是制约其工程应用的重要瓶颈因素，而高性能计算的发展为解决该问题提供了机遇。根据前期研究，建立100亿的单元需要消耗内存约20TB，单从内存需求上看，利用我国目前的高性能计算硬件计算百亿量级的实际工程问题已经成为可能，例如，华为的32路小型机“昆仑”的最大内存容量可以达到32TB。但是当计算模型达到百亿量级的时候，前处理和后处理以及硬盘的数据读存往往成为瓶颈，例如，对于百亿颗粒模型的显示问题，普通的图形工作站无法胜任，特别是前处理软件无法对如此大规模的模型进行有效的编辑。此外，大规模的求解结果还会产生海量的数据文件，进而导致模拟结果的后处理困难。现有的数值模拟方法在类似于“昆仑”小型机及类似的超大内存云计算平台上无法执行百亿级别数值单元的数值计算以解决工程实际问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在保证可视化的前提下采用数据量非常小的有限元几何模型进行压缩表征，从而有效地避免了“显存容量限制模型规模大小”的瓶颈，的百亿级颗粒模型的构建方法。

在岩石工程领域，对大型实体结构采用数值计算的方法进行研究时，有效地模拟大规模问题需要的单元数量将异常庞大，也意味着前、后处理的数据量异常庞大，进而导致两方面的问题：首先，几何结构的复杂性和可能存在的误操作使得在前处理过程中必须实时的进行检查，即“可视化”必不可少，但计算机非常有限的显存容量限制了“可视化建模”的规模；其次，对于大规模问题，模型文件的读取和结果文件的存储所需的时间非常长，所需的存储空间也是巨大的，两者都有可能超出可承受的范围。这些方面的限制使得海量离散模型的实际应用变得很困难。

为此，本发明技术方案如下：

一种百亿级颗粒模型的构建方法，具体步骤如下：

S1、利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；

S2、采用三维有限元网格来表征待构建物体的数字模型：利用有限元软件，将待构建的数字模型离散成由若干个简单三维形体构成的有限元模型；

在该步骤中，简单三维形体可以为四面体结构、梯形台结构、四棱锥结构等凸面体结构，其构成的有限元模型仅用来表征数字模型的几何信息，不参与数值计算；这一步骤的目的是将记录庞大的数字模型的原始表征文件拆解为多个远远小于原始表征文件的几何文件，进而实现大规模四维弹簧模型的压缩表征；

S3、对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；其中，材料信息为该三维形体对应实体的材料信息，其为已知材料的分类号；颗粒数据为构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集

优选，在步骤S3中，颗粒数据的获取方法为：

S301、构建一个用于生成数字模型的点阵型坐标系；

S302、对点阵坐标系内的每个点进行赋值，作为候选颗粒；