一種非線性顯式分層殼單元及其GPU并行計算實現

摘要：通用有限元程序ABAQUS的鋼筋混凝土顯式分層殼單元被廣泛應用于剪力墻抗震性能分析,但存在兩個缺陷:①只能得到混凝土受壓損傷和受拉損傷,無法反映混凝土剪切損壞,因此不易根據損傷類型對結構進行優化;②基于CPU并行計算,大規模計算效率較低?；谄矫鎽l件下的混凝土彈塑性損傷本構模型,根據混凝土損傷發展時的受力狀態和工程實踐需要將損傷分為受拉損傷、受壓損傷和受剪損傷。結合可損傷分類的塑性損傷模型,給出了非線性殼元物理沙漏力和面內旋轉力的構造方法,進而得到一種含面內旋轉自由度的4節點24自由度四邊形非線性顯式分層殼單元。將該研究殼元在自主研發的基于CPU+GPU異構并行計算的非線性分析軟件中完成開發實現;通過與ABAQUS benchmark算例結果對比,驗證了開發內容的正確性;通過與剪力墻單調加載試驗對比,驗證了該研究殼元的合理性。分別采用自主研發軟件和ABAQUS對上海地區某框架核心筒體系的超高層結構進行了罕遇地震非線性時程分析,結果表明:①自主研發軟件與ABAQUS結果基本一致,而計算效率為ABAQUS計算效率的5.69倍;②自主研發軟件得到的受拉損傷、受壓損傷和受剪損傷損傷可更清晰地揭示核心筒在罕遇地震作用下的損壞演化規律和破壞模式。