基于CUDA的三维离散元法仿真软件的实现与优化
发布时间：2021-05-13 15:05
无论是在自然界还是在工农业生产中,都存在着大量的散粒物料,如土壤、沙石、农作物产品等。由于使用有限元法研究散粒物料动力学问题存在局限性,相较之下离散元法有着诸多优势,因此离散元法已广泛应用于散粒物料的模拟仿真研究。虽然该方法为计算复杂散粒物料运动提供了更好的解决途径,并尽可能地降低了计算所需的存储空间,但是随着模拟仿真实验中材料规模和颗粒数量的不断增加,计算量也将呈指数增长,因此对离散元法仿真软件的计算效率提出了更高的要求。摩尔定律发展至今已经到达了一个瓶颈,提升计算机计算能力的主要途径从追求CPU单核的高性能,转为通过使用多个复杂度适当、相对低功耗的内核进行并行计算的方式。与CPU相比,GPU处理单元多,内存带宽高,计算速度快,因此GPU并发运行多个内核时的计算性能比CPU强大很多。同时,NVIDIA公司为其生产的GPU增加了易用的编程接口,并提供了通用的并行计算平台和编程模型CUDA,使得研究人员能够更加高效地利用GPU强大的计算能力。随着CUDA并行计算架构逐渐成熟,使用CUDA技术解决离散元法计算量较大的问题也成为了实现离散元法仿真软件的新途径。本文在课题组自主研发的三维离散元...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 GPU并行编程发展历程
1.2.2 CUDA编程模型简介
1.3 本文主要工作
第2章 基于CUDA的三维DEM软件的设计与实现
2.1 引言
2.2 数据结构的设计
2.2.1 颗粒的数据结构
2.2.2 边界的数据结构
2.2.3 接触信息的数据结构
2.2.4 力学模型的数据结构
2.3 计算流程的设计与实现
2.3.1 计算流程的设计
2.3.2 GPU数据初始化
2.3.3 颗粒间接触计算
2.3.4 颗粒与边界接触计算
2.3.5 刷新颗粒与边界
2.3.6 输出结果到文件
2.4 本章小结
第3章 算法改进
3.1 引言
3.2 三角形边界除重算法的改进
3.2.1 存在的问题
3.2.2 接触判断算法
3.2.3 除重流程算法的改进
3.3 颗粒间接触计算算法的改进
3.3.1 存在的问题
3.3.2 CUDA中的原子操作
3.3.3 算法的改进
3.4 双重网格
3.4.1 存在的问题
3.4.2 算法的改进
3.5 本章小结
第4章 基于CUDA技术的优化
4.1 引言
4.2 Visual Profiler
4.3 动态内存分配问题
4.4 线程数的设置
4.4.1 GPU利用率
4.4.2 优化线程数的设置
4.5 CUDA流
4.6 零拷贝
4.6.1 页锁定内存
4.6.2 应用零拷贝进行优化
4.7 CPU-GPU异步结构
4.8 本章小结
第5章 软件测试
5.1 引言
5.2 测试环境
5.3 功能测试
5.3.1 球颗粒测试
5.3.2 非球颗粒测试
5.4 性能测试
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CPU-GPU的多尺度视网膜增强算法[J]. 张卫东,杜师帅,路皓翔,卓永,杨辉华. 计算机工程与设计. 2018(12)
[2]AMD和NVIDIA两家公司GPU架构由分到合发展综述[J]. 曹璐云. 信息与电脑(理论版). 2016(11)
[3]机械产品设计中的颗粒离散元仿真技术及实现[J]. 胡励,胡国明. 机械工程学报. 2015(14)
[4]基于DEM和MBK耦合的CAE软件研制[J]. 付宏,管秋月,王扬,徐静,于建群. 计算机工程与设计. 2015(03)
[5]基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法[J]. 严成增,郑宏,孙冠华,葛修润. 岩土力学. 2014(09)
[6]基于DEM-CFD耦合的新型CAE软件系统设计[J]. 付宏,吕游,金鑫禹,孙迎春,何庆炎,金永哲,于建群. 吉林大学学报(理学版). 2014(02)
[7]船舶在碎冰区航行的离散元模型及冰载荷分析[J]. 李紫麟,刘煜,孙珊珊,卢云亮,季顺迎. 力学学报. 2013(06)
[8]离散元素法在工业过程分析与产品设计中的应用初探[J]. 胡国明,郭胜,陈金鑫,胡励,简斌. 机电工程. 2010(08)
[9]基于图元的三维离散元法边界建模方法[J]. 付宏,乌兰,黄万风,于建群. 计算机集成制造系统. 2008(12)
[10]基于边界二维CAD模型的三维离散元法边界建模方法[J]. 贾慧敏,王安强. 科学技术与工程. 2008(08)
博士论文
[1]基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析[D]. 狄少丞.大连理工大学 2015
硕士论文
[1]三维离散元法仿真软件AgriDEM求解器的改进研究[D]. 王常瑞.吉林大学 2018
[2]基于GPU的可满足性问题求解算法的实现[D]. 崔帅飞.大连理工大学 2018
[3]三维离散元法仿真软件AgriDEM体系结构的研究及改进[D]. 靳聪.吉林大学 2017
[4]基于CUDA的离散元法DEM实现方法的改进[D]. 姜振平.吉林大学 2017
[5]基于区域分解法的CFD-DEM耦合软件改进[D]. 金鑫禹.吉林大学 2015
[6]非球颗粒建模方法改进和输送机工作过程分析软件研制[D]. 王雪娇.吉林大学 2015
[7]基于DEM与MBK耦合的CAE软件改进研究[D]. 管秋月.吉林大学 2015
[8]基于矩量法的电磁散射GPU加速算法及三维可视化[D]. 杨友涛.南京理工大学 2015
[9]基于GPU的颗粒离散元计算时间评估及优化[D]. 王明.大连理工大学 2014
[10]三维离散元法计算仿真软件测试与改进[D]. 张蕾.吉林大学 2013
本文编号：3184234
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 GPU并行编程发展历程
1.2.2 CUDA编程模型简介
1.3 本文主要工作
第2章 基于CUDA的三维DEM软件的设计与实现
2.1 引言
2.2 数据结构的设计
2.2.1 颗粒的数据结构
2.2.2 边界的数据结构
2.2.3 接触信息的数据结构
2.2.4 力学模型的数据结构
2.3 计算流程的设计与实现
2.3.1 计算流程的设计
2.3.2 GPU数据初始化
2.3.3 颗粒间接触计算
2.3.4 颗粒与边界接触计算
2.3.5 刷新颗粒与边界
2.3.6 输出结果到文件
2.4 本章小结
第3章 算法改进
3.1 引言
3.2 三角形边界除重算法的改进
3.2.1 存在的问题
3.2.2 接触判断算法
3.2.3 除重流程算法的改进
3.3 颗粒间接触计算算法的改进
3.3.1 存在的问题
3.3.2 CUDA中的原子操作
3.3.3 算法的改进
3.4 双重网格
3.4.1 存在的问题
3.4.2 算法的改进
3.5 本章小结
第4章 基于CUDA技术的优化
4.1 引言
4.2 Visual Profiler
4.3 动态内存分配问题
4.4 线程数的设置
4.4.1 GPU利用率
4.4.2 优化线程数的设置
4.5 CUDA流
4.6 零拷贝
4.6.1 页锁定内存
4.6.2 应用零拷贝进行优化
4.7 CPU-GPU异步结构
4.8 本章小结
第5章 软件测试
5.1 引言
5.2 测试环境
5.3 功能测试
5.3.1 球颗粒测试
5.3.2 非球颗粒测试
5.4 性能测试
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CPU-GPU的多尺度视网膜增强算法[J]. 张卫东,杜师帅,路皓翔,卓永,杨辉华. 计算机工程与设计. 2018(12)
[2]AMD和NVIDIA两家公司GPU架构由分到合发展综述[J]. 曹璐云. 信息与电脑(理论版). 2016(11)
[3]机械产品设计中的颗粒离散元仿真技术及实现[J]. 胡励,胡国明. 机械工程学报. 2015(14)
[4]基于DEM和MBK耦合的CAE软件研制[J]. 付宏,管秋月,王扬,徐静,于建群. 计算机工程与设计. 2015(03)
[5]基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法[J]. 严成增,郑宏,孙冠华,葛修润. 岩土力学. 2014(09)
[6]基于DEM-CFD耦合的新型CAE软件系统设计[J]. 付宏,吕游,金鑫禹,孙迎春,何庆炎,金永哲,于建群. 吉林大学学报(理学版). 2014(02)
[7]船舶在碎冰区航行的离散元模型及冰载荷分析[J]. 李紫麟,刘煜,孙珊珊,卢云亮,季顺迎. 力学学报. 2013(06)
[8]离散元素法在工业过程分析与产品设计中的应用初探[J]. 胡国明,郭胜,陈金鑫,胡励,简斌. 机电工程. 2010(08)
[9]基于图元的三维离散元法边界建模方法[J]. 付宏,乌兰,黄万风,于建群. 计算机集成制造系统. 2008(12)
[10]基于边界二维CAD模型的三维离散元法边界建模方法[J]. 贾慧敏,王安强. 科学技术与工程. 2008(08)
博士论文
[1]基于GPU并行算法的海洋平台及船舶结构冰荷载的离散元分析[D]. 狄少丞.大连理工大学 2015
硕士论文
[1]三维离散元法仿真软件AgriDEM求解器的改进研究[D]. 王常瑞.吉林大学 2018
[2]基于GPU的可满足性问题求解算法的实现[D]. 崔帅飞.大连理工大学 2018
[3]三维离散元法仿真软件AgriDEM体系结构的研究及改进[D]. 靳聪.吉林大学 2017
[4]基于CUDA的离散元法DEM实现方法的改进[D]. 姜振平.吉林大学 2017
[5]基于区域分解法的CFD-DEM耦合软件改进[D]. 金鑫禹.吉林大学 2015
[6]非球颗粒建模方法改进和输送机工作过程分析软件研制[D]. 王雪娇.吉林大学 2015
[7]基于DEM与MBK耦合的CAE软件改进研究[D]. 管秋月.吉林大学 2015
[8]基于矩量法的电磁散射GPU加速算法及三维可视化[D]. 杨友涛.南京理工大学 2015
[9]基于GPU的颗粒离散元计算时间评估及优化[D]. 王明.大连理工大学 2014
[10]三维离散元法计算仿真软件测试与改进[D]. 张蕾.吉林大学 2013
本文编号：3184234
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/ruanjiangongchenglunwen/3184234.html
