一种改进GPU加速策略的物质点分析方法及其在滑坡模拟中的应用

摘要

近年来物质点法发展成为岩土工程领域一种重要的大变形数值模拟方法，被广泛应用于滑坡、溃坝、隧道突水突泥等问题的研究。伴随着应用场景的规模化与复杂化，对于方法本身的精度要求和效率需求继而持续增加，导致其计算成本逐步上升，制约了物质点法进一步在大规模岩土工程问题中的应用。鉴于此，本文提出一种改进图形处理器（GPU）加速策略的物质点法，引入模块化编程思想，采用简洁的多组1维数组的方式进行数据存储结构和基于硬件层级的内存操作管理处理数据竞争，以提高物质点法的模拟效率，解决面向过程的GPU加速策略存在的扩展性问题，并形成高效且灵活的模拟构架。通过模拟铝棒坍塌试验和理想边坡失效过程，结果显示，基于改进GPU加速策略的物质点方法具有较好的并行性，较已有Taichi-GPU物质点法在性能上提升10%左右。最后，应用本文提出的物质点方法模拟再现新磨村滑坡的全过程，得出当物质点数目扩大2.5倍左右时，计算效率提升20倍左右。

关键词

GPU加速 / 物质点法 / 滑坡 / 大变形数值模拟