發(fā)布時間：2018-07-20 18:54

【摘要】：由于性價比高、計算能力強,多核多節(jié)點超級計算機已成為高性能計算的主流。但僅僅依靠多核多節(jié)點超級計算機的高機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)模計算問題,只有研究合適的并行計算方法才能有效提高工程分析的質(zhì)量和效率。本文結(jié)合上海超級計算中心的“Dawning 5000A”高性能計算平臺,研究了有限元結(jié)構(gòu)分析多層并行計算方法,并在具體工程實例的應(yīng)用中得到了驗證,主要研究內(nèi)容包括:研究了高效求解有限元結(jié)構(gòu)靜力分析問題和動力分析問題的并行計算方法。針對傳統(tǒng)區(qū)域分解法利用大量處理器內(nèi)核進行大規(guī)模并行計算效率低的問題,提出了一種多層并行計算方法。該方法在區(qū)域分解法的基礎(chǔ)上利用兩級分區(qū)和兩次縮聚策略進行求解。它首先通過兩級分區(qū)為并行計算準(zhǔn)備數(shù)據(jù),以確保多核多節(jié)點超級計算機節(jié)點間和節(jié)點內(nèi)工作載荷的均衡。然后在并行計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算機制實現(xiàn)了對節(jié)點間和節(jié)點內(nèi)通信的分層處理,有效提高了系統(tǒng)通信效率。數(shù)值試驗結(jié)果表明:本文提出的多層并行計算方法同傳統(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。在二級子區(qū)域的縮聚過程中,基于稀疏存儲技術(shù)和稀疏直接求解器設(shè)計了一種行壓縮存儲格式縮聚算法。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行求解。由于采用稀疏存儲技術(shù)實現(xiàn)了只對剛度矩陣中非零元素的存儲,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)存需求和計算量,因此它具有所需內(nèi)存空間小、計算效率高和易于編程實現(xiàn)的優(yōu)點。在一級子區(qū)域的縮聚過程中,對傳統(tǒng)變帶寬格式縮聚算法進行了并行化改進以使節(jié)點內(nèi)的所有進程都能參與相應(yīng)一級子區(qū)域的并行縮聚,從而有效利用了節(jié)點內(nèi)的多核計算資源。開展了有限元結(jié)構(gòu)分析高性能計算軟件的開發(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生成平臺進行二次開發(fā)的方案。從軟件工程的角度進行了軟件總體設(shè)計,包括總體實現(xiàn)方案的確定和系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計�；谀K化程序設(shè)計方法給出了系統(tǒng)四個主要功能模塊,即輸入/輸出模塊、形成數(shù)學(xué)方程模塊、求解數(shù)學(xué)方程模塊和計算應(yīng)變應(yīng)力模塊的詳細實現(xiàn)流程。根據(jù)模塊間的接口規(guī)則和相互調(diào)用關(guān)系實現(xiàn)了系統(tǒng)集成。該軟件開發(fā)方案為超級計算機應(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)分析高性能計算軟件的大規(guī)模工程應(yīng)用。以上海市閔浦二橋為結(jié)構(gòu)靜力分析的工程應(yīng)用對象,基于全三維擬實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)動力分析的工程應(yīng)用對象,建立了爆炸沖擊波對高層建筑物作用的有限元數(shù)值仿真模型。應(yīng)用開發(fā)的軟件在上海超級計算中心的“Dawning 5000A”高性能計算平臺上完成了這兩個模型的有限元數(shù)值仿真大規(guī)模并行計算。對多層并行計算方法和傳統(tǒng)區(qū)域分解法的計算結(jié)果以及并行計算程序的性能進行了比較分析,驗證了本文提出的多層并行計算方法的正確性、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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP338.6;TB12

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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)有限元并行計算程序設(shè)計和初步驗證[J];固體力學(xué)學(xué)報;2010年S1期

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本文編號：2134445