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CoSim(Coupling Simulator,耦合模拟器/耦合仿真平台)计算软件

CoSim(Coupling Simulator,耦合模拟器/耦合仿真平台)是清华大学水利水电工程系“多尺度工程地质力学与灾害仿真(MEGGS)”研究组自主研发的面向GPU加速并行的高性能数值计算分析软件。CoSim以有限元(FEM)、离散元(DEM)、物质点法(MPM)、光滑粒子流(SPH)及格子布尔兹曼法(LBM)等数值方法为基础,实现不同数值方法间的动态耦合计算分析,从地质/岩土灾害的物理力学过程机制出发,解决其多相态(Multi-Phase)、多过程(Multi-Process)及多尺度(Multi-Scale)问题(即,“3M”特性)。

区别于一般的单一方法的软件,CoSim融合了多种数值计算分析方法,并实现了不同方法间的强耦合计算分析,从而可以更好地用于自然界及工程中的一些问题的计算分析(1):

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1 CoSim主要功能特色

二、CoSim-MPM 简介

2.1 算法优势

地质/岩土灾害动力学分析中常用的方法有DEM、MPM等方法。其中DEM在模拟地质/岩土体的破裂过程方面,有着强大的优势;但是DEM的块体/颗粒间的接触参数,一直是制约其在工程中广泛应用的瓶颈。

物质点法(MPM)由于兼具拉格朗日和欧拉算法的优势, 在模拟地质/岩土体的大变形和断裂破碎的问题方面显示出其强大的优势。而且MPM采用的材料本构模型参数与传统的宏观物理力学参数一致,因此在地质/岩土灾害分析方面有其独特的优势。

2.2 目前主要功能

CoSim-MPM 是基于物质点发开发的用于岩土体/地质体稳定性分析及地质灾害动力学过程模拟的高性能数值计算仿真平台,可以实现大规模高效计算分析。为了便于用户使用,CoSim2020近期推出了交互性良好的用户使用界面(2)。

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2 CoSim主界面

Cosim2020-MPM目前主要功能包括岩土体/地质体应力-应变分析、边坡稳定性强度折减法、滑坡动力学过程模拟、泥石流动力学过程等(3)。此外,其它更多功能将陆续推出。

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3 CoSim-MPM 目前主要功能

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4 CoSim-MPM 强度折减法与极限平衡法边坡稳定性分析对比

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5 CoSim-MPM 在某滑坡灾害过程分析中的应用(>100万物质点)

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6 CoSim-MPM 在泥石流动力学分析中的应用

三、CoSim-MPM 安装说明

3.1 系统版本需求

(1)操作系统:Ubuntu18.04

(2)NVIDIA GPU: 运算能力(Compute Capability)3.5及以上

(3)Cuda-10

注:因虚拟机不支持CUDA计算,故不能在虚拟机下的Ubuntu运行。

安装文件下载后:

(1)计算机需要连接网络;

(2)将CoSim_Pkg.tar.xz和CoSimInstall.sh放在同一文件目录下;

(3)终端运行“sudo sh CoSimInstall.sh”,等待解压及相关库文件的安装;


(4)在桌面全部应用中可查找CoSim,双击运行。对于正版用户,需要通过插入软件锁才能启用。四、典型示例

4.1 边坡应力应变分析

本算例为分析一典型斜坡在重力作用的应应力特征。斜坡模型为已经建立好的封闭stl三维模型,如8所示。注:边坡三维模型可以通过AutoCAD、Catia等三维建模软件进行创建,并输出成stl文件格式。

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8 边坡三维stl模型



(1)首先建立材料参数,此处材料选用DP模型,参数设定:

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(2)导三维stl模型生成对应的模型文件,边界为默认的STL边界:

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(3)设定计算控制参数:

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(4)生成输入文件及脚本、计算,并输出进行三维可视化分析:

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(5)对监测点进行分析:

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4.2 强度折减法-边坡稳定性分析

本算例采用CoSim-MPM中的强度折减法对斜坡的稳定性进行定量评价和分析。模型采用8所示的斜坡三维模型。

(1)首先建立材料参数,此处材料选用DP模型,参数设定:

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(2)导入STL模型生成对应的模型文件,边界为默认的STL边界:

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(3)设定计算控制参数,并确认选用强度折减法,设定折减系数,本算例中设定稳定性系数1.0-1.24,增量为0.02:

(4)生成输入文件及脚本、计算,并输出进行三维可视化分析:

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(5)对监测点(坡顶点)进行分析,经过拟合后与极限平衡分析结果基本一致,稳定性系数SF=1.16:

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4.3 复杂斜坡稳定性分析


本算例主要是展示采用CoSim-MPM实现对一个实际的三维复杂斜坡自动建模并进行计算分析。采用Catia等三维建模软件,生成滑坡体的滑动面(Slide Face,包含滑坡面和滑坡体以外的坡面地形)和滑坡区地形面(GroundFace)三维stl文件,如9所示。

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图 9复杂斜坡stl模型

(1)首先建立材料参数,此处材料选用DP模型,其中滑坡体默认为材料1,滑坡床默认为材料2,斜坡面默认为材料3,参数设定:

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(2)导入STL模型生成对应的模型文件,边界为默认的STL边界:

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(3)设定计算控制参数:

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(4)生成输入文件及脚本、计算,并输出进行三维可视化分析:

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(5)对监测点进行分析:

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注:对用更为复杂的滑坡体模型,比如含有裂隙、多个岩土体分区等,用户可以通过修改输入文件,直接进行计算分析。 软件支持定制及开发,欢迎适用来电咨询:400-9100-928


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