显式有限元程序并行自动全局接触算法性能优化及程序实现

发布时间：2017-10-30 01:33

  本文关键词：显式有限元程序并行自动全局接触算法性能优化及程序实现

  更多相关文章： 冲击-碰撞 接触算法 并行计算 负载平衡

【摘要】：武器装备及工业产品的性能考核、安全性与可靠性评估工作,如弹体侵彻分析、飞鸟撞机实验、汽车碰撞测试等,从力学理论出发可以抽象为研究冲击-碰撞问题。采用数值模拟手段进行预测、评估和验证几乎成为求解此类问题最普遍的方法,其中显式有限元方法是最常用的手段之一。显式有限元计算中普遍存在的问题是：接触计算占比过大(常占到总计算时间的40%,甚至以上)且计算效率不高,因此有必要对接触计算算法进行优化。本文首先介绍了显式有限元方法,然后测试了并行显式有限元程序从4进程到64进程并行计算时的性能,并分析其中单元内力计算、通信、几何剖分所占比例及变化情况,进而找出影响程序计算效率瓶颈。通过对以上测试结果的分析,认为并行自动全局接触算法尤其是其中的接触搜索域剖分算法是影响程序计算效率的重要因素；随着进程数目增加,负载平衡与通信对程序计算效率有较大影响。针对并行自动全局接触算法中接触搜索域剖分算法进行优化,使用基于接触点越界检测的接触搜索域剖分算法替代固定间隔的接触搜索域剖分算法,并引入密集剖分与非密集剖分策略,进一步降低越界检测次数以提高计算性能。测试结果显示,优化算法在不影响计算结果精度的前提下可以有效降低接触搜索域剖分次数,提高程序计算效率。然后针对接触并行计算中双重区域分解,导致的负载平衡与通信问题,通过数值计算实验进行了更加详尽的测试与分析。结果表明,适当增加接触计算进程数目可以实现负载平衡,提高计算效率；当数量过多时,反而导致计算效率降低。亦即,在计算过程中,须合理设置计算进程数目,以取得与负载平衡与通信之间的平衡。本文通过对冲击动力学问题并行显式有限元程序的性能测试与分析、算法改进、试验验证等研究工作,不仅提高了程序中接触计算的效率,还可用于指导计算进程数目设置,对于冲击-碰撞问题的数值计算具有重要意义。
【关键词】：冲击-碰撞 接触算法 并行计算 负载平衡
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB115
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 冲击碰撞问题的数值计算7-9
• 1.2 接触算法9-10
• 1.3 并行编程模型10-12
• 1.4 本文研究内容12-13
• 第二章 并行显式有限元数值模拟程序13-26
• 2.1 显式有限元方法13-18
• 2.1.1 有限元基本理论及控制方程13-14
• 2.1.2 单元方程14
• 2.1.3 基本边界条件14-15
• 2.1.4 接触边界条件15-16
• 2.1.5 积分公式16-17
• 2.1.6 含接触的显式有限元计算流程图17-18
• 2.2 显式有限元程序并行化18-22
• 2.2.1 并行化需求18-19
• 2.2.2 MPI并行编程19-21
• 2.2.3 基于区域分解的并行显式有限元程序21-22
• 2.3 程序性能测试与分析22-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 并行自动全局接触算法优化26-44
• 3.1 接触控制方程26-27
• 3.2 接触算法27-29
• 3.3 基于双重分区的并行自动全局接触算法29-38
• 3.3.1 自动全局接触算法30-33
• 3.3.2 基于双重分区的并行自动全局接触算法33-38
• 3.4 接触搜索域剖分优化38-40
• 3.5 算法性能测试与分析40-43
• 3.5.1 正确性验证40-41
• 3.5.2 性能测试41-43
• 3.6 本章小节43-44
• 第四章 负载平衡与通信44-57
• 4.1 影响程序并行效率的因素44-47
• 4.2 通信47-49
• 4.2.1 MPI通信模式47-48
• 4.2.2 通信开销48
• 4.2.3 接触算法中的通信组成48-49
• 4.3 负载平衡49-51
• 4.3.1 静态负载平衡49
• 4.3.2 动态负载平衡49-50
• 4.3.3 负载不平衡对计算效率的影响50-51
• 4.4 测试51-56
• 4.4.1 负载平衡与通信51-53
• 4.4.2 并行计算效率测试与分析53-56
• 4.5 总结56-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 附录63

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 王福军,程建钢,姚振汉,黄存军,寇哲军;结构碰撞数值模拟的一类接触算法[J];工程力学;2002年01期

2 喻葭临;于玉贞;张丙印;吕禾;;基于扩展有限元方法的界面接触算法[J];工程力学;2011年04期

3 钟阳;钟志华;李光耀;孙光永;徐峰祥;;机械系统接触碰撞界面显式计算的算法综述[J];机械工程学报;2011年13期

4 张冲;金峰;侯艳丽;;基于可见性和后修圆的三维块体域接触算法[J];岩石力学与工程学报;2006年11期

5 颜天佑;李同春;赵兰浩;;循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展模拟的接触算法[J];固体力学学报;2009年05期

6 辛海丽;金峰;;基于概率接触算法的椭球离散元及料仓试验研究[J];工程力学;2012年11期

7 白小勇;何颖波;陈成军;;显式有限元中的一种并行接触算法[J];计算物理;2011年03期

8 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 钟译漫;陈伟;胡秀章;徐胜利;邵鹏飞;;Splitting pinball算法在接触碰撞中的初步应用[A];第五届全国计算爆炸力学会议论文摘要[C];2012年

2 陈伟;钟译漫;胡秀章;徐胜利;;基于Pinball接触算法的实现及其应用[A];第五届全国计算爆炸力学会议论文摘要[C];2012年

3 姜玉曦;周海兵;;CHAP3D中的三维并行接触算法[A];第十六届全国流体力学数值方法研讨会2013论文集[C];2013年

4 王战江;;夹杂材料接触算法[A];重庆大学2013复合材料力学研讨会摘要集[C];2013年

5 姜玉曦;周海兵;熊俊;张树道;;CHAP3D中的接触算法[A];第七届全国青年计算物理学术会议论文集[C];2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 文永;显式有限元程序并行自动全局接触算法性能优化及程序实现[D];中国工程物理研究院;2016年

2 祝涛;三维离散元接触算法研究[D];华中科技大学;2009年

，

本文编号：1115552