本文關(guān)鍵詞：顯式有限元程序并行自動全局接觸算法性能優(yōu)化及程序?qū)崿F(xiàn)

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【摘要】：武器裝備及工業(yè)產(chǎn)品的性能考核、安全性與可靠性評估工作,如彈體侵徹分析、飛鳥撞機實驗、汽車碰撞測試等,從力學(xué)理論出發(fā)可以抽象為研究沖擊-碰撞問題。采用數(shù)值模擬手段進行預(yù)測、評估和驗證幾乎成為求解此類問題最普遍的方法,其中顯式有限元方法是最常用的手段之一。顯式有限元計算中普遍存在的問題是：接觸計算占比過大(常占到總計算時間的40%,甚至以上)且計算效率不高,因此有必要對接觸計算算法進行優(yōu)化。本文首先介紹了顯式有限元方法,然后測試了并行顯式有限元程序從4進程到64進程并行計算時的性能,并分析其中單元內(nèi)力計算、通信、幾何剖分所占比例及變化情況,進而找出影響程序計算效率瓶頸。通過對以上測試結(jié)果的分析,認為并行自動全局接觸算法尤其是其中的接觸搜索域剖分算法是影響程序計算效率的重要因素；隨著進程數(shù)目增加,負載平衡與通信對程序計算效率有較大影響。針對并行自動全局接觸算法中接觸搜索域剖分算法進行優(yōu)化,使用基于接觸點越界檢測的接觸搜索域剖分算法替代固定間隔的接觸搜索域剖分算法,并引入密集剖分與非密集剖分策略,進一步降低越界檢測次數(shù)以提高計算性能。測試結(jié)果顯示,優(yōu)化算法在不影響計算結(jié)果精度的前提下可以有效降低接觸搜索域剖分次數(shù),提高程序計算效率。然后針對接觸并行計算中雙重區(qū)域分解,導(dǎo)致的負載平衡與通信問題,通過數(shù)值計算實驗進行了更加詳盡的測試與分析。結(jié)果表明,適當增加接觸計算進程數(shù)目可以實現(xiàn)負載平衡,提高計算效率；當數(shù)量過多時,反而導(dǎo)致計算效率降低。亦即,在計算過程中,須合理設(shè)置計算進程數(shù)目,以取得與負載平衡與通信之間的平衡。本文通過對沖擊動力學(xué)問題并行顯式有限元程序的性能測試與分析、算法改進、試驗驗證等研究工作,不僅提高了程序中接觸計算的效率,還可用于指導(dǎo)計算進程數(shù)目設(shè)置,對于沖擊-碰撞問題的數(shù)值計算具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：沖擊-碰撞 接觸算法 并行計算 負載平衡
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB115
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 緒論7-13
• 1.1 沖擊碰撞問題的數(shù)值計算7-9
• 1.2 接觸算法9-10
• 1.3 并行編程模型10-12
• 1.4 本文研究內(nèi)容12-13
• 第二章 并行顯式有限元數(shù)值模擬程序13-26
• 2.1 顯式有限元方法13-18
• 2.1.1 有限元基本理論及控制方程13-14
• 2.1.2 單元方程14
• 2.1.3 基本邊界條件14-15
• 2.1.4 接觸邊界條件15-16
• 2.1.5 積分公式16-17
• 2.1.6 含接觸的顯式有限元計算流程圖17-18
• 2.2 顯式有限元程序并行化18-22
• 2.2.1 并行化需求18-19
• 2.2.2 MPI并行編程19-21
• 2.2.3 基于區(qū)域分解的并行顯式有限元程序21-22
• 2.3 程序性能測試與分析22-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第三章 并行自動全局接觸算法優(yōu)化26-44
• 3.1 接觸控制方程26-27
• 3.2 接觸算法27-29
• 3.3 基于雙重分區(qū)的并行自動全局接觸算法29-38
• 3.3.1 自動全局接觸算法30-33
• 3.3.2 基于雙重分區(qū)的并行自動全局接觸算法33-38
• 3.4 接觸搜索域剖分優(yōu)化38-40
• 3.5 算法性能測試與分析40-43
• 3.5.1 正確性驗證40-41
• 3.5.2 性能測試41-43
• 3.6 本章小節(jié)43-44
• 第四章 負載平衡與通信44-57
• 4.1 影響程序并行效率的因素44-47
• 4.2 通信47-49
• 4.2.1 MPI通信模式47-48
• 4.2.2 通信開銷48
• 4.2.3 接觸算法中的通信組成48-49
• 4.3 負載平衡49-51
• 4.3.1 靜態(tài)負載平衡49
• 4.3.2 動態(tài)負載平衡49-50
• 4.3.3 負載不平衡對計算效率的影響50-51
• 4.4 測試51-56
• 4.4.1 負載平衡與通信51-53
• 4.4.2 并行計算效率測試與分析53-56
• 4.5 總結(jié)56-57
• 第五章 總結(jié)與展望57-59
• 5.1 總結(jié)57-58
• 5.2 展望58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-63
• 附錄63

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本文編號：1115552