【摘要】：由于性價(jià)比高、計(jì)算能力強(qiáng),多核多節(jié)點(diǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)已成為高性能計(jì)算的主流。但僅僅依靠多核多節(jié)點(diǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的高機(jī)器性能并不能從根本上解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值仿真的大規(guī)模計(jì)算問題,只有研究合適的并行計(jì)算方法才能有效提高工程分析的質(zhì)量和效率。本文結(jié)合上海超級(jí)計(jì)算中心的“Dawning 5000A”高性能計(jì)算平臺(tái),研究了有限元結(jié)構(gòu)分析多層并行計(jì)算方法,并在具體工程實(shí)例的應(yīng)用中得到了驗(yàn)證,主要研究內(nèi)容包括:研究了高效求解有限元結(jié)構(gòu)靜力分析問題和動(dòng)力分析問題的并行計(jì)算方法。針對(duì)傳統(tǒng)區(qū)域分解法利用大量處理器內(nèi)核進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算效率低的問題,提出了一種多層并行計(jì)算方法。該方法在區(qū)域分解法的基礎(chǔ)上利用兩級(jí)分區(qū)和兩次縮聚策略進(jìn)行求解。它首先通過兩級(jí)分區(qū)為并行計(jì)算準(zhǔn)備數(shù)據(jù),以確保多核多節(jié)點(diǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)工作載荷的均衡。然后在并行計(jì)算的過程中一方面通過兩次縮聚大幅度降低了求解問題的規(guī)模,有效提高了界面方程的收斂速度;另一方面通過多層并行計(jì)算機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)通信的分層處理,有效提高了系統(tǒng)通信效率。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的多層并行計(jì)算方法同傳統(tǒng)區(qū)域分解法相比能夠獲得較高的加速比和并行效率,并且核數(shù)越多效果越明顯。研究了高效消去子區(qū)域內(nèi)部自由度的縮聚算法。在二級(jí)子區(qū)域的縮聚過程中,基于稀疏存儲(chǔ)技術(shù)和稀疏直接求解器設(shè)計(jì)了一種行壓縮存儲(chǔ)格式縮聚算法。它將縮聚過程轉(zhuǎn)化為一系列線性方程組的求解過程,并通過稀疏直接求解器進(jìn)行求解。由于采用稀疏存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了只對(duì)剛度矩陣中非零元素的存儲(chǔ),并在利用稀疏直接求解器求解線性方程組的過程中通過填充-約化排序有效降低了系統(tǒng)的內(nèi)存需求和計(jì)算量,因此它具有所需內(nèi)存空間小、計(jì)算效率高和易于編程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。在一級(jí)子區(qū)域的縮聚過程中,對(duì)傳統(tǒng)變帶寬格式縮聚算法進(jìn)行了并行化改進(jìn)以使節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有進(jìn)程都能參與相應(yīng)一級(jí)子區(qū)域的并行縮聚,從而有效利用了節(jié)點(diǎn)內(nèi)的多核計(jì)算資源。開展了有限元結(jié)構(gòu)分析高性能計(jì)算軟件的開發(fā)和集成。為降低系統(tǒng)開發(fā)成本,提高軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率,提出了基于串行有限元自動(dòng)生成平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的方案。從軟件工程的角度進(jìn)行了軟件總體設(shè)計(jì),包括總體實(shí)現(xiàn)方案的確定和系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)�；谀K化程序設(shè)計(jì)方法給出了系統(tǒng)四個(gè)主要功能模塊,即輸入/輸出模塊、形成數(shù)學(xué)方程模塊、求解數(shù)學(xué)方程模塊和計(jì)算應(yīng)變應(yīng)力模塊的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)流程。根據(jù)模塊間的接口規(guī)則和相互調(diào)用關(guān)系實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成。該軟件開發(fā)方案為超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的開發(fā)探索了一條新途徑。開展了有限元結(jié)構(gòu)分析高性能計(jì)算軟件的大規(guī)模工程應(yīng)用。以上海市閔浦二橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)靜力分析的工程應(yīng)用對(duì)象,基于全三維擬實(shí)建模方法建立了全橋有限元數(shù)值仿真模型。以某高層建筑為結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的工程應(yīng)用對(duì)象,建立了爆炸沖擊波對(duì)高層建筑物作用的有限元數(shù)值仿真模型。應(yīng)用開發(fā)的軟件在上海超級(jí)計(jì)算中心的“Dawning 5000A”高性能計(jì)算平臺(tái)上完成了這兩個(gè)模型的有限元數(shù)值仿真大規(guī)模并行計(jì)算。對(duì)多層并行計(jì)算方法和傳統(tǒng)區(qū)域分解法的計(jì)算結(jié)果以及并行計(jì)算程序的性能進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了本文提出的多層并行計(jì)算方法的正確性、可靠性和有效性。
[Abstract]:This paper presents a multi - layer parallel computing method based on the high performance computing platform of multi - core multi - node supercomputers .
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP338.6;TB12

【參考文獻(xiàn)】

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1 徐建國;石正軍;郝志明;何穎波;李于鋒;;基于PANDA框架的非線性靜力學(xué)有限元并行計(jì)算程序設(shè)計(jì)和初步驗(yàn)證[J];固體力學(xué)學(xué)報(bào);2010年S1期

2 陳英時(shí);吳文勇;黃真康;童慧波;焦柯;;采用多波前法求解大型結(jié)構(gòu)方程組[J];建筑結(jié)構(gòu);2007年09期

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本文編號(hào)：2134445