PKPM-SAUSAGE 技术手册

PKPM-SAUSAGE 技术手册。
对高层、超高层结构实施精细的弹塑性动力时程分析意味着海量规模的计算工
作。以往，受软硬件计算能力的限制，同时也由于结构非线性问题的复杂性，工程
师不得不以简化的模型和方法达成顺利求解。但是，粗糙并极有可能失真的分析结
果只能提供概然的设计依据，实际往往还需依凭其他定性分析或经验判断实施具体
设计，这样给结构的地震安全留下了不确定的隐患，并容易由于过保守估计而造成
建筑材料等的巨大浪费。因此，计算分析能力是影响高层、超高层建筑结构抗震安
全性能设计的重要瓶颈。
在大量应用实践和技术探索的基础上，我们反思制约建筑结构大规模弹塑性动
力时程分析实施的软硬件瓶颈，首次研发了千万自由度规模建筑结构 GPU+CPU 高
性能精细化非线性并行分析系统—PKPM-SAUSAGE。
并行计算是提高大规模数据分析速度的唯一途径。与 CPU 相比， GPU（即显
卡）处理任务的方式具有天然的并行特征，一个 GPU 几乎可同时并发执行千万个
线程任务。 PKPM-SAUSAGE 根据 GPU 并行计算的特点，创新性构造了具有针对
性的数据结构和分析算法，通过一系列独特高效的数据访存策略，使有限元单刚计
算、总刚集成以及方程组求解等通常耗时费力的计算任务变得非常快速高效，最终
实现了计算速度和计算规模两方面的显著突破。
PKPM-SAUSAGE 开发了一组低阶稳定的有限单元模型和一套高效健壮的计
算分析策略。这些单元模型适于模拟混凝土、 钢材质构件的空间非线性力学行为。
尤其是对于大规模弹塑性动力时程分析，它们的健壮性、稳定性以及计算效率等均
显著优于常见的高阶单元。同时由于求解速度和规模方面的突破，用户可用较细密
的单元剖分改善非线性求解的精度。
PKPM-SAUSAGE 的线单元（梁、柱和斜撑）在全长度采用精细的截面纤维积分
策略，面单元（剪力墙、楼板）采用精细的分层积分策略，通过精细的材料点应
力-应变弹塑性状态分析，使结构构件的弹塑性分析结果更具客观性和准确性，避
免了常见的构件宏观弹塑性模型中弹塑性机制人为预设过多和粗糙失真等特点。
PKPM-SAUSAGE 采用隐式分析方法来模拟高层结构的逐层施工过程。施工过
程的找平、水平支撑的后装等均能按实际过程准确模拟。结构施工过程分析完毕后
的应力状态，将作为地震波作用下结构弹塑性动力时程分析的初始应力状态。
对于地震波作用下的结构弹塑性动力时程分析， PKPM-SAUSAGE 采用了适于
模拟波动问题的精细步长显式动力直接积分方法（二阶中心差分），时间步长控制
在 10-5s 数量级。
PKPM-SAUSAGE 与 PMCAD 几何数据和 SATWE 小震弹性分析配筋数据是无
缝连接的，工程数据可自动转换为有限元分析模型，大大简化了用户的操作，提高
了工作效率。
在完成动力弹塑性分析后， PKPM-SAUSAGE 可自动输出结构超限分析报告需
要的各种统计数据，如层间位移角曲线、层间剪力曲线等；可自动输出结构的位移、
内力、应力、应变和材料损伤的云图，并进行各种动画显示。