基于Calculix的多核并行分析机制研究及平台设计与实现

发布时间：2017-06-05 11:25

  本文关键词：基于Calculix的多核并行分析机制研究及平台设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着多核处理技术的发展,多核并行计算为复杂数值分析提供了强有力的支持,将并行计算技术引入结构疲劳强度有限元分析,可以极大增加数值分析的规模,提高分析的速度,极大提高有限元分析的工作效率,进一步促进有限元在大型结构工程中的运用。为了更进一步的发展并行有限元分析,更好的结合实际应用以及为解决求解复杂有限元数值分析的效率和精确度等问题提供新的思路和解决办法,本文探讨了开源有限元求解器Calculix在广州超级计算中心TH-1-GZ先导系统环境下的并行有限元分析实现原理,提出了适用于TH-1-GZ先导系统高性能计算环境的Calculix并行化分析解决方案,该方案充分利用了Calculix对多线程的支持,实现了Calculix结合TH-1-GZ高性能计算平台的多核多线程并行计算改造,能够实现对船体实体疲劳强度原始数据模型的建模、分析以及计算,也可对船舶设计工程领域产生的已有模型数据进行分析。本文系统实现中充分考虑了多核间的负载均衡、任务调度及有限元稀疏矩阵存储情况。为实现负载均衡,疲劳强度分析的网格划分采用区域划分法,实时对核间的状态信息进行交互,对线性方程图形分解中的矩阵排序算法--最小维度算法进行了优化以提升多核并行效率和性能。对船体构件疲劳强度的分析测试结果充分表明：Calculix并行化分析可极大提高计算速度,有效提升工作效率。平台通过B/S方式对外提供服务、接口简单、使用方便,实践证明该平台为船舶设计人员使用Calculix提供了一种新的有效方法。本课题结合Calculix及广州超算中心超级计算机先导系统TH-1-GZ高性能计算平台,建立一个支持大规模船体结构疲劳强度并行计算的基础平台,推动了有限元并行计算的发展,扩展了超级计算机的应用领域。该系统立足于船舶设计,服务于社会生产和国家建设,对提高我国船舶设计的技术水平具有一定积极意义。对基于开源的有限元求解器建造功能可媲美昂贵的大型商用有限元系统(ANSYS等)进行方法和技术的探索,对其他领域推广应用超级计算机、打破国外高技术垄断具有非常重要的意义。
【关键词】：有限元分析 多核多线程 并行计算 疲劳强度分析
【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】：TP338.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• Contents10-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 引言13
• 1.2 课题研究背景及意义13-15
• 1.2.1 有限元方法13-14
• 1.2.2 并行计算技术14
• 1.2.3 课题意义14-15
• 1.2.4 课题来源15
• 1.3 国内外研究现状分析15-17
• 1.4 论文结构17-19
• 第二章 多核多线程并行技术19-28
• 2.1 多核处理器19-21
• 2.1.1 多核技术发展20
• 2.1.2 多核并行技术优势20-21
• 2.2 多核处理技术关键21-26
• 2.2.1 并行算法22-23
• 2.2.2 并行算法的性能评价23-25
• 2.2.3 可扩放性度量方法25-26
• 2.3 多核处理机结合有限元26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 有限元并行计算应用系统设计28-37
• 3.1 平台功能需求和可行性分析28-29
• 3.2 有限元求解器的选用29-30
• 3.3 先导系统TH-1-GZ高性能计算平台30-33
• 3.3.1 系统概述31-32
• 3.3.2 硬件系统32
• 3.3.3 软件系统32-33
• 3.4 系统设计机制研究33-36
• 3.4.1 系统总体架构设计34
• 3.4.2 系统实现34-35
• 3.4.3 系统工作流程35-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第四章 系统关键技术37-53
• 4.1 研究目标与内容37-38
• 4.2 结构分析有限元法研究38-39
• 4.3 稀疏矩阵的存储方式39-41
• 4.4 稀疏矩阵排序算法41-44
• 4.5 Calculix有限元并行化改造44-51
• 4.5.1 Calculix结合SPOOLES44-45
• 4.5.2 多核多线程并行化改造45-48
• 4.5.3 稀疏矩阵最小维度排序算法优化48-49
• 4.5.4 有限元网格划分49-50
• 4.5.5 多核并行任务调度50-51
• 4.6 本章小结51-53
• 第五章 系统实现与测试分析53-63
• 5.1 Calculix前端处理模块CGX53-54
• 5.2 Calculix后端处理模块CCX54-56
• 5.2.1 相关附属包部署54-55
• 5.2.2 CCX在TH-1-GZ上的部署55-56
• 5.3 并行求解矩阵方程主要方法56-58
• 5.4 系统测试58-62
• 5.4.1 平台使用界面58-59
• 5.4.2 功能测试分析59-61
• 5.4.3 性能测试分析61-62
• 5.4.4 参数优化62
• 5.5 本章小结62-63
• 结论与展望63-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68-70
• 致谢70-71

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