隔震结构动力分析的高性能计算方法实现

摘要

随着人民安全意识的增强和生活水平的提高，应用隔震技术的建筑越来越多，但隔震结构设计以时程分析为主，当上部结构复杂且支座个数较多时，已有的商用软件在非线性时程分析时运算速度较慢，且隔震支座布置还需要多次试错才能确定，极大地影响了设计效率和设计质量。因此，本文以OpenSees为平台，利用GPU高性能计算方法，实现基于高性能GPU计算的隔震结构动力分析和隔震结构设计。本文的主要研究内容及结论如下： （1）选取目前较为常用的两种非线性时程分析方法—快速非线性分析法（FNA法）与直接积分法，对比了两种算法的计算精度和计算速度。以一个典型的多层隔震结构为例进行计算，结果发现：非线性时程分析的精确求解方法为直接积分法，但计算速度较慢，不便于实际设计求解，FNA法计算速度快，但若选取的Ritz模态数量不足，FNA法求得的结果有较大误差。说明基于单一的CPU平台的计算软件，无法提高计算效率的同时保证计算精度，进一步选择适合的CPU/GPU隔震结构设计平台。 （2）为了提高隔震结构动力分析的计算速度，选用有限元软件OpenSees作为GPU加速计算平台，使用CUDA异构CPU与GPU协同计算的平台，搭建了OpenSees的GPU加速环境，描述了CPU与GPU间如何进行数据交互完成线性方程组的加速求解。由于OpenSees模型以Tcl脚本方式创建，为了方便设计人员使用，本文给出了ETABS模型转化为Tcl脚本文件的方法流程及注意事项。以工程实例测试，结果表明所搭建的基于GPU的稀疏矩阵求解器计算结果的可靠性，并且使用直接积分法时，相对于ETABS软件，OpenSees的隔震结构分析使用GPU加速可节省近一半的时间。 （3）为提高隔震结构的设计效率并保证支座布置方案的质量。介绍了基于高性能计算隔震结构设计的实现流程，使用两阶段的优化方法对隔震结构进行支座方案的布置。分别建立了每一阶段的优化模型，第一阶段优化联合了多种群遗传算法与基于GPU加速的OpenSees有限元软件，第二阶段优化使用前一阶段的分析结果，进行线性规划给出实际的支座方案布置。 （4）选取一个实际的隔震结构，通过本文的基于高性能计算的隔震结构设计方法，给出优化后的支座布置方案，再与原传统方法布置的方案比较隔震效果，除在减震效果、经济性上更好外，新支座布置方法在精度与求解效率方面更有保证。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.2.1 结构分析的高性能计算方法研究现状

1.2.2 隔震结构动力分析的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 隔震结构设计的CPU/GPU平台选择

2.1 引言

2.2 基于单一CPU平台的国内外分析软件

2.2.1 FNA法与直接积分法的基本原理

2.2.2 采用FNA法与直接积分法的结果对比

2.3 支持GPU加速的国内外分析软件

2.4 选择合适的CPU/GPU平台

2.5 本章小结

第3章 基于GPU计算的隔震结构动力分析程序实现

3.1 引言

3.2 异构平台与有限元软件的GPU环境搭建

3.2.1 异构平台及硬件参数

3.2.2 OpenSees的GPU环境搭建

3.3 GPU加速Opensees稀疏矩阵方程组求解计算流程

3.4 隔震结构的OpenSees模型建立

3.4.1 由ETBAS和ETO建立隔震结构的上部模型

3.4.2 OpenSees中设定隔震支座

3.5 Matlab对隔震结构动力分析的后处理

3.6 工程实例测试

3.7 本章小结

第4章 基于高性能计算的隔震结构设计实现

4.1 引言

4.2 两阶段隔震结构优化方法的思路与优化模型

4.2.1 两阶段隔震结构优化方法的思路

4.2.2 两阶段隔震结构优化模型

4.3 基于GPU高性能计算的隔震设计实现

4.4 隔震设计实例测试

4.4.1 传统算法隔震分析结果

4.4.2 高性能计算方法分析结果

4.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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