A HIERARCHICAL PARALLEL COMPUTING APPROACH FOR STRUCTURAL STATIC FINITE ELEMENT ANALYSIS

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点,提出了一种结构静力有限元分层并行计算方法. 该方法在两级分区两次缩聚策略的基础上不仅实现了大量数据的分布式存储,提高了数据的内存访问速率;而且实现了计算过程的三层并行,有效提高了通信效率;此外,它还进一步降低了界面方程的规模,大幅度减少了界面方程的求解时间. 因此,它能够充分利用分布式存储并行计算机的体系结构特点提升大规模并行计算效率. 最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性.     

结构静力有限元分层并行计算方法

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点,提出了一种结构静力有限元分层并行计算方法. 该方法在两级分区两次缩聚策略的基础上不仅实现了大量数据的分布式存储,提高了数据的内存访问速率;而且实现了计算过程的三层并行,有效提高了通信效率;此外,它还进一步降低了界面方程的规模,大幅度减少了界面方程的求解时间. 因此,它能够充分利用分布式存储并行计算机的体系结构特点提升大规模并行计算效率. 最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性.      

微机网络并行环境下杆壳组合结构动力特性并行计算

回顾了有限元并行计算发展的历史,阐述了微机网络并行计算环境的意义,给出了基于微机网络并行环境的杆壳组合结构动力分析并行算法,该算法包括杆壳组合结构总刚度矩阵和总质量矩阵的并行计算以及求解广义特征值问题的并行子空间迭代法的并行计算,在多台微机上安装PVM．使用Linux操作系统．构成分布式微机网络并行计算环境,将上述算法用于某型号飞机机翼及某型号挂架动力特性的并行计算,在该并行环境下的教值试验表明所给算法是非常有效的。     

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

并行加速的局部变分迭代法及其轨道计算应用

为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求,近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法.积分修正类方法有可并行计算的特点,然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制,无法充分发挥其可并行加速的优势.此外,合理的计算参数通常难以预先确定,也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现.针对以上问题,利用积分修正类方法可并行计算的特点,提出了并行加速的局部变分迭代法PA-LVIM,通过将传统局部变分迭代法LVIM的并行计算量均摊到多个计算节点上,显著提高了计算速度.此外,还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数,进一步发挥了其大步长快速计算的优势.求解了三个经典的轨道递推问题,仿真结果表明, PA-LVIM的加速效果明显,且经打磨法优化计算参数后,其计算效率又进一步得到提高,将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上.     

结构非线性动力分析混合时间积分并行算法

综合隐式和显式时间积分技术,对结构非线性动力反应分析提出一种并行混合时间积分算法.该算法采用区域分解技术.将并发性引入到算法中,即利用显式时间积分技术进行界面节点积分而利用隐式算法求解局部子区域.为实现并行混合时间积分算法,设计了灵活的并行数据信息流.编写了该算法的程序,在工作站机群实现了数值算例,验证了算法的精度和性能.计算结果表明该算法具有良好的并行性能,优于隐式算法.     

一种新型并行化有限元结构模态分析集成系统

以成熟有限元软件的模态分析流程和大型稀疏矩阵特征值的并行求解为基础,开发出一种基于大规模并行机的新型有限元结构模态分析系统。通过对串行CAE软件的二次开发,将模态分析过程中计算量最大的特征值求解部分代之以并行计算。针对并行机特性以隐式重启动Lanczos算法为基础,编写了基于MPI的特征值并行求解程序,并通过实际算例验证了并行程序的加速比和扩展性;同时实现并行程序与其它串行分析步骤的无缝集成,使集成系统的界面友好,操作方便。本系统使结构模态分析的规模和速度大幅度提高,以大型CAE软件MSC／NASTRAN为并行化求解器开发平台,在“神威Ⅰ”超级计算机上验证了其可行性和高效性。     

基于PANDA框架的非线性静力学有限元并行计算程序设计和初步验证

本文介绍了基于PANDA框架开发非线性静力学并行计算程序的初步成果.程序设计重点关注单元类型、材料模型和非线性并行求解策略,初步形成了可求解小应变、有限应变线弹性和弹塑性静力学问题的非线性静力学程序.典型算例和某离心机结构的分析初步验证了该程序的千万自由度规模弹塑性静力学高效并行计算能力及计算精度.     

非平稳随机激励下结构体系动力可靠度时域解法

将结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对其进行数值求解,导出了非平稳激励下结构随机响应的时域显式表达式,该过程的计算量仅相当于两次确定性时程分析的计算量. 基于该显式表达式,结合首次超越失效准则,提出了非平稳随机激励下结构体系动力可靠度的数值模拟算法. 与功率谱方法相比,该方法无需同时在时频域内进行大量数值积分,也无需引入关于响应过程跨越界限次数概率分布, 以及各失效模式相关性等方面的假定. 通过数值算例, 对比了该方法与泊松过程法、马尔可夫过程法、传统蒙特卡罗法的计算精度和计算效率,结果显示该方法具有理想的精度和相当高的效率.      

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合隐式和显式时间积分技术,对结构非线性动力反应分析提出一种并行混合时间积分算 法. 该算法采用区域分解技术. 将并发性引入到算法中,即利用显式时间积分技术进行界面 节点积分而利用隐式算法求解局部子区域. 为实现并行混合时间积分算法,设计了灵活的并 行数据信息流. 编写了该算法的程序,在工作站机群实现了数值算例,验证了算法的精度和 性能. 计算结果表明该算法具有良好的并行性能,优于隐式算法.     

Vectorized Directional Sweep Based Parallelization Method for Factored Alternating Direction Implicit (ADI) Schemes

A new parallelization method is proposed for factored alternating direction implicit (ADI) schemes based on the vectorized global domain directional sweep. This approach, when combined with multi-partitioning domain decomposition, significantly reduces the frequency of necessary communication calls and minimizes processor idling during the sweeping processes. The present parallelization approach is applied to a number of vectorized two-dimensional compressible Navier-Stokes solvers. The codes vary in complexity from laminar to algebraic turbulence closure model and finally the strongly coupled Navier-Stokes and K-e equations. Implementation is conducted using PVM (Parallel Virtual Machine) message passing tool on the Cray T3D massively parallel processing (MPP) machine. The implemented parallel codes are assessed in terms of accuracy and parallel performance.     

列车与结构动态耦合分析的并行计算方法

在分析结构动态响应时考虑列车与结构的动态耦合作用,采用详细三维有限元模型会带来计算量太大的问题。本文采用并行计算方法,根据列车与结构动态耦合模型的计算特点,设计实现了列车结构耦合均衡的分区算法,并以两个工程应用为例,利用该方法对列车结构三维数值模型进行分区计算,结果表明该分区方法比递归坐标二分法有更好的并行效率。     

三维气相爆轰动态并行计算程序设计与开发

在三维气相爆轰数值研究中,网格精度和计算域的规模导致网格数占有非常庞大的计算资源,进而给数值模拟带来了极大的挑战。本文针对这一难题,采用5阶WENO格式对带化学反应Euler方程组进行空间离散,基于MPI（MessagePassingInterface）并行模式开发了高精度动态并行代码,并对爆轰波在带有障碍物的三维方形管道中的传播过程进行计算。计算结果表明,高精度动态并行计算能够很好的模拟三维气相爆轰波在大尺寸管道中的传播,不仅提高了计算效率,而且提高了爆轰波阵面的分辨率。与高精度静态并行相比,高精度动态并行计算减少了界面数据通信时间,从而进一步提高了计算效率。因此,高精度动态并行程序为探究三维气相爆轰新的物理机制提供有效的手段。     

基于并行计算和遗传算法的钢-UHPC华夫板组合梁优化设计

为实现钢-超高性能混凝土(UHPC)华夫板组合梁结构快速经济合理的设计，提出了基于并行计算与遗传算法的结构优化设计方法。通过Python建立了并行计算平台，使Abaqus和Python能够执行同步数值模拟和数据处理，以成本最小化为目标，采用遗传算法对钢-UHPC华夫板组合梁进行了优化，验证了所提方法的可行性。结果表明，遗传算法中密集的分析任务可以并行化并分配给不同的计算资源以提高计算效率；使用并行计算可以提高8.6倍的优化效率；并行计算和串行计算的CPU平均使用率分别为82%和18%。本文方法的成功应用可为其他类型结构的优化设计提供参考。     

大规模结构动力学并行计算与软件研发进展

以大型复杂装备研制过程中对大规模精细动力学数值模拟的迫切需求为背景,对大规模模态分析及后续相关动力学并行计算的国内外研究进展进行了概述,并对团队在JAUMIN框架和PANDA软件平台上开展的结构动力学并行计算相关研发工作进行了介绍．基于神光III大型光机装备的展示算例表明,PANDA软件的动力学并行可扩展能力达到“上亿自由度、上万核”的水平,万核并行效率高达50%以上,远超国内现有商业软件的分析能力;“基于框架研发应用软件”的设计理念已经成为大规模有限元程序研发的主流理念,对于提升软件研发效率,促进软件实用化和并行可扩展性将起到关键作用．     

Mortar Element Method for Flow Problems in Primitive Variables Form

Parallel implementation of the finite element method for the Helmholtz equation and the Stokes equations is discussed in the environment of a distributed-memory massively parallel computer where data is shared among the processors by communication procedures called message-passing. For implementation of the finite element methods based on domain decomposition, “pre-assembly type” and “restriction type” are introduced for data on nodal points. They simplify the implementation and reduce the amount of message-passing between subdomains. In order to reduce this further, the mortar element method is applied to the primitive variables of the Stokes equations. It maintains natural treatment of stress boundary conditions, which is an advantage of the finite element method. Its implementation can be described concisely by the idea of the two data types.