[发明专利]用于宽级配离散元颗粒系统的高效邻居检索方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于宽级配离散元颗粒系统的高效邻居检索方法及系统，将宽级配颗粒系统按粒径由粗到细分组；由粗到细，在每一粒组粒度下构建空间正交网格，基于矩阵离散元接触方法，得到粗粒组与其细粒组的邻居矩阵表示；基于邻居接触的对偶性，由粗粒组的细粒组邻居接触对得到细粒组的粗粒组邻居矩阵表示；基于矩阵合并，得到每一粒组颗粒与所有粒组的邻居矩阵表示。本发明采用单元粒径分组与多重网格方法，实现了宽级配颗粒离散元系统的邻居搜索的纯矩阵运算，进而通过GPU并行加速技术大幅提高宽级配颗粒系统计算效率。

技术领域

本发明涉及一种宽级配离散元颗粒系统邻居搜索的纯矩阵实现方法及系统，尤其适用于颗粒离散元GPU并行加速的高效计算方法。

背景技术

离散元法能很好地表征岩土体的非连续性与不均匀性，适用于大变形问题的模拟分析。采用离散元法堆积胶结生成岩土体模型时，颗粒级配对堆积模型的物理表征具有重要影响。常规的级配平移与级配缩放方法，通过将颗粒粒径限制在较小的范围，以提高计算效率；但对渗漏、管涌等问题，颗粒级配的失真使得离散元方法无法较真实的模拟这类问题。开发适用于宽级配颗粒离散元系统的高效算法对离散元的工程应用具有重大意义。

在离散元法邻居矩阵计算中，单元的邻居编号逐行记录在矩阵中，共m个单元。由于每个单元的邻居单元数量不一致，邻居矩阵中长短不一致的位置用m+1来标记。当颗粒的级配很宽时，即最大和最小粒径比较大时，大颗粒附近通常有大量的小颗粒，并使得邻居单元数增大，而小颗粒附近的单元数仍然较少。因此，宽级配条件下的单元邻居矩阵的宽度急剧增加，使得邻居单元检索和进一步的离散元分析的计算量也急剧增加。

中国专利CN110781448A，公开了一种基于完全矩阵计算的离散元邻居搜索及求解方法和系统，具体公开了一种基于矩阵离散元接触搜索方法，将空间划分为正交网格元胞；通过完全矩阵运算，基于网格元胞的邻域元胞建立初步接触搜索矩阵，并通过距离判别筛选接触信息及虚单元填充方法，得到接触搜索的邻居矩阵表示；基于邻居矩阵及相应布尔矩阵实现离散元程序的求解计算。该专利只涉及单一粒组的邻居矩阵求解过程，而不能适用于多粒组的邻居矩阵求解。

发明内容

发明目的：为了克服常规单一网格方法矩阵离散元接触搜索中的不足，本发明提供一种基于多重网格的邻居搜索的用于宽级配离散元颗粒系统的高效邻居检索方法及系统，其能有效加速宽级配离散元颗粒系统的邻居搜索过程，并减小常规算法的内存占用，以适用于更大规模离散元颗粒系统的邻居搜索。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于宽级配离散元颗粒系统的高效邻居检索方法，包括以下步骤：

步骤1，单元编号及粒径分组：

将单元顺序编号，记从1到m，根据单元半径分布由粗到细排序分成两组以上粗细不同的粒组，不同粒组间单元半径范围无重叠，同时添加虚单元，编号为m+1。目标邻居矩阵亦根据粒组划分分块存储，记某一粒组包含单元数m1，则该粒组的邻居矩阵共m1行，每一行记录该粒组对应单元的邻居单元编号，长短不一部分用虚单元编号填充。邻居搜索相关的单元信息存储为单元属性数组，记为aX、aY、aZ和aR，其中，aX、aY、aZ为三维坐标，aR为半径。

步骤2，当前粒组-细粒组邻居矩阵求解：

按粒组粒径范围由粗到细分别求解邻居矩阵。对于当前粒组，考虑粒径范围不大于当前粒组的所有粒组，基于矩阵离散元接触搜索方法(CN110781448A，一种基于完全矩阵计算的离散元邻居搜索及求解方法和系统，刘春等，2020)求解当前粒组与细粒组的邻居矩阵。需要说明的是，当前粒组下的网格划分边长略大于当前粒组最大粒径。

步骤3，当前粒组-粗粒组邻居矩阵求解：

对于当前粒组与粗粒组邻居矩阵的求解。由于由粗到细的求解顺序，粗粒组-当前粒组的邻居矩阵已经求解完成，基于邻居关系的对偶性，通过索引转换求得当前粒组-粗粒组的邻居矩阵。