超算环境下基于CALCULIX的船舶疲劳强度并行计算分析技术研究

摘要

在船舶结构疲劳强度有限元法分析中，通过并行计算提高计算效率是众多学者研究的课题之一，有限元分析软件在工程设计领域已经具有广泛的应用。对于各种大型和超大型的复杂结构工程问题，虽然目前计算机硬件的配置发展很迅速，但对于普通PC机，受限制于CPU的计算速度和制约于有限的内存空间，对于一些超大规模的工程问题，通常会造成在计算时间上的过于漫长，甚至无法进行计算分析，难以满足仿真设计的效率。这也是有限元分析软件在工程设计仿真中得到更深层次的应用而出现的瓶颈问题之一。超级计算机高性能计算的发展成为解决工程计算分析瓶颈的一个有效解决方法。本文通过研究有限元并行计算分析技术，并结合广州超算中心先导系统，基于开源有限元求解器建立一个可用的船舶结构疲劳强度有限元并行计算分析平台，并应用于实际有限元计算分析中。
　　本文对有限元分析方法进行了简单介绍，并通过分析超级计算机的软硬件系统环境、作业提交模式，分析船舶疲劳强度有限元法在有限元分析软件中的仿真分析过程，提出将开源有限元求解器Calculix基于MPI的分布并行计算改造，使其适合于在高性能计算环境中运行。在超级计算机环境下，以区域分解并行算法和并行预处理共轭梯度法为基础，在各个计算节点上进行子区域并行求解，采用C语言结合MPI的编程方法，修改Calculix的部分源码，结合基于区域分解的并行求解策略，设计适合于有限元分布并行计算分析系统的动态调度策略。为了在超算环境下实现有限元并行计算分析系统，研究Calculix的前后处理模块以及计算分析模块，构建出相应的系统架构模型，加入开源系统方程组并行求解库从而达到有限元分析并行化的目的。基于负载均衡实现并优化了并行分析系统，提升计算效率，降低计算时间开销，以C/S模式搭建远程交互平台。最后用实际算例验证了船舶疲劳强度有限元并行计算分析系统的正确性和高效性，测试结果表明同等条件下该有限元并行计算改造方法大大缩短了船舶设计中数值计算分析部分的时间开销。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文所做的工作

1．4 文章框架结构

1．5 项目支持

第二章 船舶疲劳强度分析有限元方法

2．1 超算平台简介

2．1．1 软硬件结构

2．1．2 MPI编译环境

2．1．3 作业提交模式

2．2 有限元并行计算分析

2．3 有限元法前后处理关键技术

2．3．1 模型建立

2．3．2 网格划分

2．3．3 求解器集成

2．3．4 后处理分析

2．4 本章小结

第三章 并行计算技术分析

3．1 并行程序设计基础

3．1．1 消息传递接口

3．1．2 用C+MPI并行实现

3．2 数据存储方法

3．3 并行分解算法

3．3．1 有限元网格的区域分解并行法

3．3．2 基于区域分解有限元并行算法

3．4 通信方式优化

3．5 任务调度算法设计

3．6 本章小结

第四章 基于Calculix的并行分析系统

4．1 Calculix软件结构

4．1．1 前后处理模块Calculix Grapix

4．1．2 计算分析模块Calculix Crunchix

4．2 系统架构与实现

4．2．1 并行求解库

4．2．2 系统实现方法

4．3 负载均衡

4．4 系统工作流程

4．5 平台实现

4．6 实验分析

4．7 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢