基于Calculix的有限元并行算法优化研究

发布时间：2017-06-03 21:05

  本文关键词：基于Calculix的有限元并行算法优化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有限元法是结构分析中应用最广泛的数值分析法,在国防和经济建设领域的大规模科学计算中占据重要的地位。随着并行计算的不断发展,有限元并行计算为复杂数值分析提供了有力的支持,增加了数值分析的规模,提高了计算的速度和工作效率,促进有限元在大型结构工程中的应用。随后,有限元分析软件的出现有效的继承了有限元技术,其具有分析准确可靠、计算效率高、使用方便、易于扩充和修改等特点,促进了有限元并行化的发展。在商业有限元分析软件处于主导地位的环境下,本文结合广州超算先导系统的有限元并行计算分析平台,以开源有限元求解器Calculix为对象,对其进行多线程和多进程改造和并行算法优化,主要工作有：(1)针对有限元并行计算结合实际应用和求解复杂数值计算问题,探讨了开源有限元求解器Calculix在广州超算先导系统下的并行有限元平台实现原理,给出了并行化改造方案,方案对平台的功能需求和可行性进行探索,给出了Caculix有限元求解器和Spooles和Arpack之间联合求解的系统框架和工作流程。(2)深入剖析有限元求解器Calculix的计算模块CCX,充分利用CCX对多线程的支持,设计P_solver接口实现多进程的并行化改造,实现了对船舶构件疲劳分析数据的并行计算。(3)针对提高平台在船舶疲劳强度分析中大规模数值计算分析的效率问题,本文给出基于列主元的多行双门槛的不完全LU分解预处理方法,证明该方法下的不完全LU分解可以进行下去,运用实际算例进行测试。对船体部件的结构疲劳分析测试结果表明：Calculix的多进程并行计算及其并行算法优化提高了计算速度和工作效率。平台通过C/S的方式提供服务,方便用户使用,实践证明该平台为船舶设计人员使用Calculix提供了新的方式。本课题研究了广州超算先导系统环境下的Calculix有限元并行分析平台,应用到船舶设计领域,扩展了超级计算机的应用领域。
【关键词】：并行计算 并行优化 有限元求解器
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB115
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• CONTENTS10-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 有限元分析法13-14
• 1.1.2 数值计算14-15
• 1.1.3 有限元通用程序15
• 1.1.4 有限元并行计算15-17
• 1.2 国内外研究现状17-19
• 1.2.1 国内并行计算平台研究17-18
• 1.2.2 并行算法研究18-19
• 1.3 论文内容及意义19-20
• 1.4 论文结构20
• 1.5 项目支持20-21
• 第二章 有限元处理技术21-30
• 2.1 有限元分析软件21-24
• 2.1.1 商业有限元分析软件21-23
• 2.1.2 开源有限元分析软件23-24
• 2.2 数值计算24-28
• 2.2.1 直接法25-26
• 2.2.2 迭代法26-27
• 2.2.3 预处理技术27-28
• 2.3 有限元求解器的选择28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 有限元分布并行计算分析平台的设计30-36
• 3.1 平台功能需求和可行性分析30
• 3.2 广州超算先导系统30-32
• 3.3 系统机制研究32-34
• 3.3.1 系统框架32-33
• 3.3.2 系统工作流程33-34
• 3.4 基于C/S的有限元分析平台34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第四章 Calculix在超算先导系统上的部署与并行实现36-51
• 4.1 Calculix在超算先导系统上的部署与实现36-40
• 4.1.1 Calculix与Spooles、Arpack库36-38
• 4.1.2 Calculix有限元分析平台的实现38-39
• 4.1.3 CGX、CCX、Spooles和Arpack的具体部署39-40
• 4.2 并行化改造40-44
• 4.2.1 多线程改造40-41
• 4.2.2 多进程改造41
• 4.2.3 P_solver接口程序的设计41-42
• 4.2.4 程序中的函数描述42-44
• 4.3 并行算法改进44-49
• 4.3.1 算法可行性45
• 4.3.2 改进的MRILUT(b,p,τ)45-47
• 4.3.3 算法收敛性47-49
• 4.3.4 基于列主元的多行双门槛不完全LU分解算法49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 有限元平台测试与分析51-62
• 5.1 性能测试指标51-52
• 5.1.1 加速比和效率51-52
• 5.1.2 可扩展性评测标准52
• 5.2 系统功能测试52-61
• 5.2.1 CGX的功能测试52-54
• 5.2.2 CCX的功能测试54-61
• 5.3 本章小结61-62
• 总论和展望62-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间发表的学术论文68-69
• 攻读学位期间参加的科研项目69-71
• 致谢71

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