基于CUDA实现深海管道J型和S型铺设的模拟方法

本发明涉及深海油气资源开发和深海管道铺设领域，具体涉及一种基于cuda实现深海油气管道j型和s型铺设的模拟方法。

背景技术：

1、海底管道是目前海洋油气能源运输最经济、有效的方法。深海油气管道铺设主要采用j型铺管法与s型铺管法，随着铺设水深增加，管道服役海洋环境复杂恶劣，监测深海油气管道铺设动力响应以防止潜在损坏至关重要，然而监控设备普遍成本高昂，恶劣深海海洋环境下，监测设备容易出现故障导致监测数据的不连续。

2、目前gps监测技术比较成熟，铺管船六个自由度响应时间序列易得且稳定，利用监测得到的铺管船运动作为深海管道铺设顶部的激励输入，结合复杂的有限元软件可以准确捕捉铺管船及管道铺设的非线性行为。然而传统的有限元软件计算时间过长，无法实时预测深海管道铺设动力响应，基于静态分析的简化方法无法考虑动态效应的影响，会显著低估管道铺设动力响应。合理的人工神经网络可兼顾计算精度与耗时的问题，但目前针对深海油气管道铺设动力响应预测的研究鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，该方法有利于在保证模拟精度的同时，降低计算耗时，提升计算效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：在cpu端进行前处理工作和在gpu端开辟内存空间；

4、步骤s2：结合cuda编程与向量式有限元，求解管道质点运动控制方程；

5、步骤s3：基于cuda的单元数级并行策略，进行管道单元的内力和内力矩求解；

6、步骤s4：基于cuda的质点数级并行策略，进行管道质点的外力和外力矩求解；

7、步骤s5：更新质点位置和转角，循环执行步骤s2-s4，直至达到计算总时长，将数据复制回cpu端，输出运算结果，并释放cpu和gpu内存。

8、进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

9、步骤s11：在cpu端，基于向量式有限元法对深海j型和s型管道进行单元划分，得到管道质点位置的三维数组及单元各长度的一维数组，设置管道为由n个质点和n-1个无质量梁单元连接而成，将管道顶端固定在铺管船上，并将其水平放置在海面上；

10、步骤s12：输入管材、海洋环境的常量参数和数组型参数，并对每个质点的质量求解质量矩阵；

11、步骤s13：管道在重力和浮力的共同作用下自由降落到达海床，达到静力平衡后，将管道末端锚固在海床上；

12、步骤s14：初始化gpu设备；

13、步骤s15：将以上步骤得到的数组和矩阵，通过cuda的函数cudamemcpy进行复制，使数据从host端复制到device端，同时保证内存对齐；

14、步骤s16：根据gpu内存特性，在gpu上将未出现但在循环中需要用到的数组和矩阵与单个计算函数求解时容纳不下的数组和矩阵，分配全局内存空间，保证内存对齐；此外给固定不变的1*1参数分配常量内存。

15、步骤s16：根据gpu内存特性，在gpu上将未出现但在循环中需要用到的数组和矩阵与单个计算函数求解时容纳不下的数组和矩阵，分配全局内存空间，保证内存对齐；此外给固定不变的1*1参数分配常量内存。

16、进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：

17、步骤s21：在满足不超出gpu流处理器可用范围的条件下，根据质点数或单元数确定线程数和线程块数的大小，通过下式计算：

18、

19、式中，nt为总计算的数目，ntpb为该核函数的每个线程块中的线程个数；得到的总线程数为ntpb*nb；为保证数据不越界，在核函数运行前对线程索引总数进行判断，看其是否超出流处理器可用的大小；

20、步骤s22：在主函数的计算中，使用cuda编程语言的核函数对铺管程序中各模拟求解函数进行改编，并通过公式(1)分配线程数和线程块数，在cpu端调用gpu的kernel函数，进行质点数级或单元数级的并行计算；其中cuda编程语言的核函数定义如下：

21、kernel<<<nb,ntpb>>>(parameters 1,parameters 2,…) (2)

22、式中，kernel为定义的核函数；parameters 1为需要输入的参数1；parameters 2为需要输入的参数2；

23、步骤s23：在向量式有限元中，对于每个管道质点的运动，在同一时刻下，均保持独立性，因此通过使用<<<nb,ntpb>>>进行质点数级或单元数级并行计算，并通过核函数中threadid进行自动索引，实现核函数线程级加速求解；

24、步骤s24：将整个程序分析历时分为t0,…,ti-1,ti,ti+1,…,tn，每个时段的管道质点运动均满足牛顿第二定律；设定nb*ntpb等于总质点数，在kernel函数中自动索引，实现质点数级并行求解运动控制方程：

25、

26、式中，mj和ij为质点j的质量和转动惯量矩阵，xj和θj为位移和转角向量，和为内力与内力矩向量，和为外力与外力矩向量。

27、进一步地，所述步骤s3具体为：

28、计算出ti-1到ti时刻的管道单元的变化向量，并进一步结合设定nb*ntpb等于总单元数的gpu并行理论，计算求得管道单元的内力增量和内力矩增量：

29、

30、式中，e和g为管道弹性模量和切线模量，a和为管道的扭转极惯性矩，为平面惯性矩，为管道单元在x、y、z方向上的弯角，为ti-1时刻到ti时刻的单元变形量。

31、进一步地，所述步骤s4具体包括以下步骤：

32、步骤s41：对于管道质点在水中受到的自重和浮力，通过设定nb*ntpb等于总质点数j，并行计算得重力和浮力：

33、

34、式中，mj为划分长度后第j个质点对应的质量，ρw为管道在水中的密度，vj为划分长度后管道第j个质点对应的体积；

35、步骤s42：铺管过程中主要是受到海流荷载的作用；根据质点数级并行策略，求解管道每个质点的拖曳力：

36、

37、式中，ρ为海水密度，cd为拖曳力系数，a为单位接触的面积，vr为相对于海流质点的速度；

38、步骤s43：管道在海洋环境作用下除了水荷载还有管土耦合作用荷载，采用非线性滞回土壤模型，结合质点数级的gpu并行策略，求得每个管道质点的土壤抗力和吸力：

39、pu(z)＝nc(z/d)su(z)d (7)

40、pu-suc(z)＝-fsucpu(z) (8)

41、式中，d为管道直径，z为管道嵌入深度，su(z)为不排水土壤抗剪强度，su(z)＝su0+sugz，sug为土壤抗剪强度梯度，su0为土壤泥线抗剪强度，fsuc为极限吸力比例系数；

42、步骤s44：s型铺管法较j型铺管法需要多进行托管架部分的计算；通过s型托管架上的滚轮实现对管道的托举；设定nb*ntpb等于总质点数的gpu并行策略，并行判断和计算托管架梁滚轮对管道质点的支撑反力：

43、

44、式中，d0为管道距离滚轮的距离；r1为管道半径；r2为滚轮半径；k1和k2为管道和滚轮的接触刚度。

45、进一步地，所述步骤s5具体包括以下步骤：

46、步骤s51：根据设定nb*ntpb等于总质点数的gpu并行策略，并行更新管道质点的位置和转角数据；

47、步骤s52：判断是否达到计算总时长，若没有达到则继续循环步骤s2到s4，若达到则跳出循环；

48、步骤s53：使用cuda的函数cudamemcpy进行复制，将数据从device端复制到host端；在数据复制回cpu端后，再进行后续的数据处理；

49、步骤s54：通过cuda的函数cudafree释放gpu端内存；并通过free函数释放cpu端内存。

50、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

51、1、本发明将向量式有限元各质点间和各单元间在同一时刻下联系并不紧密的特性结合到cuda上，实现质点数级或单元数级的并行计算，在保持高精度计算的同时，大幅提升计算效率，加速求得深海铺管模型。

52、2、本发明基于向量式有限元法，不必构成刚度矩阵，减少计算不收敛问题。并且该方法非常适用于求解大变形大变位等不连续行为，能精确得出管道静动态受力行为。

技术特征：

1.一种基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：

5.根据权利要求4所述的基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的基于cuda实现深海管道j型和s型铺设的模拟方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于CUDA实现深海管道J型和S型铺设的模拟方法，包括以下步骤：步骤S1：在CPU端进行前处理工作和在GPU端开辟内存空间；步骤S2：结合CUDA编程与向量式有限元，求解管道质点运动控制方程；步骤S3：基于CUDA的单元数级并行策略，进行管道单元的内力和内力矩求解；步骤S4：基于CUDA的质点数级并行策略，进行管道质点的外力和外力矩求解；步骤S5：更新质点位置和转角，循环执行步骤S2‑S4，直至达到计算总时长，将数据复制回CPU端，输出运算结果，并释放CPU和GPU内存。该方法有利于在保证模拟精度的同时，降低计算耗时，提升计算效率。

技术研发人员：徐普,郑积祥,张挺
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23