[發明專利]用于寬級配離散元顆粒系統的高效鄰居檢索方法及系統

在審

• 申請號: 202110823228.0
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113656656A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 劉春;劉輝;樂天呈;朱莉莉;張鴻勇
• 申請（專利權）人: 南京南力科技有限公司
• 主分類號: G06F16/903
• 分類號: G06F16/903;G06F17/16
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發明公開了一種用于寬級配離散元顆粒系統的高效鄰居檢索方法及系統，將寬級配顆粒系統按粒徑由粗到細分組；由粗到細，在每一粒組粒度下構建空間正交網格，基于矩陣離散元接觸方法，得到粗粒組與其細粒組的鄰居矩陣表示；基于鄰居接觸的對偶性，由粗粒組的細粒組鄰居接觸對得到細粒組的粗粒組鄰居矩陣表示；基于矩陣合并，得到每一粒組顆粒與所有粒組的鄰居矩陣表示。本發明采用單元粒徑分組與多重網格方法，實現了寬級配顆粒離散元系統的鄰居搜索的純矩陣運算，進而通過GPU并行加速技術大幅提高寬級配顆粒系統計算效率。

技術領域

本發明涉及一種寬級配離散元顆粒系統鄰居搜索的純矩陣實現方法及系統，尤其適用于顆粒離散元GPU并行加速的高效計算方法。

背景技術

離散元法能很好地表征巖土體的非連續性與不均勻性，適用于大變形問題的模擬分析。采用離散元法堆積膠結生成巖土體模型時，顆粒級配對堆積模型的物理表征具有重要影響。常規的級配平移與級配縮放方法，通過將顆粒粒徑限制在較小的范圍，以提高計算效率；但對滲漏、管涌等問題，顆粒級配的失真使得離散元方法無法較真實的模擬這類問題。開發適用于寬級配顆粒離散元系統的高效算法對離散元的工程應用具有重大意義。

在離散元法鄰居矩陣計算中，單元的鄰居編號逐行記錄在矩陣中，共m個單元。由于每個單元的鄰居單元數量不一致，鄰居矩陣中長短不一致的位置用m+1來標記。當顆粒的級配很寬時，即最大和最小粒徑比較大時，大顆粒附近通常有大量的小顆粒，并使得鄰居單元數增大，而小顆粒附近的單元數仍然較少。因此，寬級配條件下的單元鄰居矩陣的寬度急劇增加，使得鄰居單元檢索和進一步的離散元分析的計算量也急劇增加。

中國專利CN110781448A，公開了一種基于完全矩陣計算的離散元鄰居搜索及求解方法和系統，具體公開了一種基于矩陣離散元接觸搜索方法，將空間劃分為正交網格元胞；通過完全矩陣運算，基于網格元胞的鄰域元胞建立初步接觸搜索矩陣，并通過距離判別篩選接觸信息及虛單元填充方法，得到接觸搜索的鄰居矩陣表示；基于鄰居矩陣及相應布爾矩陣實現離散元程序的求解計算。該專利只涉及單一粒組的鄰居矩陣求解過程，而不能適用于多粒組的鄰居矩陣求解。

發明內容

發明目的：為了克服常規單一網格方法矩陣離散元接觸搜索中的不足，本發明提供一種基于多重網格的鄰居搜索的用于寬級配離散元顆粒系統的高效鄰居檢索方法及系統，其能有效加速寬級配離散元顆粒系統的鄰居搜索過程，并減小常規算法的內存占用，以適用于更大規模離散元顆粒系統的鄰居搜索。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于寬級配離散元顆粒系統的高效鄰居檢索方法，包括以下步驟：

步驟1，單元編號及粒徑分組：

將單元順序編號，記從1到m，根據單元半徑分布由粗到細排序分成兩組以上粗細不同的粒組，不同粒組間單元半徑范圍無重疊，同時添加虛單元，編號為m+1。目標鄰居矩陣亦根據粒組劃分分塊存儲，記某一粒組包含單元數m1，則該粒組的鄰居矩陣共m1行，每一行記錄該粒組對應單元的鄰居單元編號，長短不一部分用虛單元編號填充。鄰居搜索相關的單元信息存儲為單元屬性數組，記為aX、aY、aZ和aR，其中，aX、aY、aZ為三維坐標，aR為半徑。

步驟2，當前粒組-細粒組鄰居矩陣求解：

按粒組粒徑范圍由粗到細分別求解鄰居矩陣。對于當前粒組，考慮粒徑范圍不大于當前粒組的所有粒組，基于矩陣離散元接觸搜索方法(CN110781448A，一種基于完全矩陣計算的離散元鄰居搜索及求解方法和系統，劉春等，2020)求解當前粒組與細粒組的鄰居矩陣。需要說明的是，當前粒組下的網格劃分邊長略大于當前粒組最大粒徑。

步驟3，當前粒組-粗粒組鄰居矩陣求解：

對于當前粒組與粗粒組鄰居矩陣的求解。由于由粗到細的求解順序，粗粒組-當前粒組的鄰居矩陣已經求解完成，基于鄰居關系的對偶性，通過索引轉換求得當前粒組-粗粒組的鄰居矩陣。