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大型结构并行计算的有限元分析App研究

发布于:2016-06-13 20:57
有限元分析

      有限元法作为一种计算方法已经在微分方程的数值求解、工程结构分析、电磁场分析等领域得到了广泛应用。随着现代结构的日趋复杂和对精度要求的提高,有限元分析的计算规模不断扩大,使很多非常实用的功能如大型结构的优化计算、长时程动态响应分析在单台微机或工作站上无法进行。另一方面,超级计算机在近几十年来得到了迅速发展。“银河”、“曙光”和“神威”系列超级计算机相继投入使用,说明我国在超级计算机硬件技术方面已达到国际先进水平。由于具有超强的浮点计算能力、极快的吞吐、海量存储等特点,超级计算机一直将大规模科学计算作为主要的应用领域。
      有限元法作为一种成熟有效的分析方法,其并行化得到了重视和发展。但是大型并行有限元分析App作为一项具有战略意义的敏感技术,对我国的出口一直受到严密控制。我国并行计算的App发展落后于硬件,尚未见成熟高效的并行有限元分析App。而且由于超级计算机在结构上千差万别,其应用程序一般是源代码级兼容,无法直接安装商业化的可实行程序。该项目针对线性系统,开发中重点考虑线性方程组求解和矩阵特征值求解。国际上目前没有公认权威的对大型稀疏矩阵进行并行线性方程组求解和特征值求解的程序库。虽然有一些相关的算法和程序,但对它们的实际效率和适用场合没有全面客观的评价和比较,这也说明了大型稀疏矩阵的高效并行算法目前仍是尚未解决的问题。相对于串行有限元App,并行程序必须考虑数据的有效分布、高效的并行算法。通过矩阵置换可改变矩阵的形态(数据分布),从而可以提高求解效率。而不同的并行算法在求解效率和加速比上有很大差异。
      系统结构为了低成本快速开发出大型并行有限元分析App,选择了一种对成熟商业App进行并行化的开发思路。商业有限元分析App具有前、后处理方便;运行状况输出详细;单元类型丰富等优点。这些商业性的串行有限元App采用了先进的编程技术,运行稳定,分析规模一般只受到外部存储(硬盘)的限制,这些特点是在短期内很难做到的。因此将其中的数知识题求解并行化是以较少投入获得较大收益(求解规模的扩大和时间的缩短)。这里选择有限元App进行并行化。到目前为止对中静力分析、动态响应分析、模态分析、屈曲分析进行了并行化开发,这些功能分别对应于理论上,有限元分析的最后都可以归结到求解大型线性代数方程组为刚度矩阵,为载荷向量。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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