大型结构三维地震反应分析并行计算方法研究

摘要

随着科学技术的快速进步和经济条件的迅速改善，世界各地对大型结构的需求越来越多。对这些大型结构进行地震反应分析时，存在两个科学技术上的挑战：
　　 (1)结构有限元模型的单元数和自由度数巨大；
　　 (2)该类结构受高阶振型影响较大，需要建立高阶的求解方程。
　　 并行计算技术的出现，为顺利的求解该类型结构，确保计算精度，提供了很好的方法和手段。本研究利用并行计算技术，研究了大型结构的地震反应分析方法。研究内容主要包括以下几个方面：
　　 1.深入研究了区域剖分方法的国内外研究现状，对部分方法编制了C/C++程序并进行区域剖分效果的对比，分析了各个方法的优缺点及适用范围。
　　 2.对各种区域分解算法进行了深入的研究，分析总结了各种常用算法的优缺点。
　　 3.专门对子结构分析方法进行了研究，编制了相应的C/C++程序，并利用ANSYS作前处理器，得到相应的结构刚度矩阵和荷载矩阵后，对二个单元和四个单元的简单悬臂梁进行了试验性并行计算算法的研究，此方法的详细研究为后续方法的研究奠定了基础。
　　 4.详细研究了BDD(Balancing Domain Decomposition)方法，BDD方法是一种子结构方法，其主要是把结构分成若干个子区域，每个子区域分成区域与区域间的边界节点和剩余的内部节点，每个子区域首先进行自由度静力凝聚，形成界面节点自由度方程。然后应用BDD预处理子的预处理共轭梯度法求解各个界面方程，在求解过程中要交换界面之间的信息，最终得到各个节点的位移和应力情况。
　　 5.基于区域分解算法对结构的静力和动力问题进行了并行计算方法研究，在进行大型结构的动力并行计算分析时，利用Newmark-β法对时间离散化积分。对于动力分析，基于ADVENTURE编制了并行计算程序，实例证明，编译的程序可以用于大型结构的动力并行计算分析。
　　 6.基于区域分解算法对静力非线性和动力非线性有限元进行了并行计算方法的研究，在非线性方程求解中，在每个荷增量步内采用了牛顿一拉夫逊迭代法，在牛顿一拉夫逊的每个迭代步内使用了共轭梯度法进行相应的迭代计算，对于动力非线性分析，也基于ADVENTURE编制了并行计算程序，实例证明，编译的程序可以用来求解大型结构的动力非线性反应。
　　 7.应用上述方法对意大利的万神庙进行了三维地震反应分析，该结构总共划分为1，329，027个四结点的四面体单元，结果表明，当采用96个计算节点时，只需要短短的十一分钟左右的计算时间。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的背景

1．2 论文研究的意义

1．3 并行有限元在土木工程的研究现状

1．3．1 有限元结构静力分析并行研究现状

1．3．2 有限元结构动力分析的并行研究现状

1．3．3 有限元结构非线性分析并行研究现状

1．3．4 方程组并行求解研究现状

1．3．5 商业软件并行计算发展现状

1．3．6 并行计算在地震工程中的应用情况

1．4 并行机的分类

1．5 并行算法的评估标准

1．6 本文所做的工作

1．6．1 存在的问题

1．6．2 本文所做的工作

1．7 本论文的内容安排

1．8 本章小结

第二章 区域剖分方法研究

2．0 引言

2．1 递归对分方法

2．2 贪婪算法

2．3 ANP(Ai-Nasra and Nguyen’s Partitioning)算法

2．4 Metis或ParMetis区域分解方法

2．5 小结

第三章 区域分解算法研究

3．1 舒尔补系统形式

3．2 Dirichlet-Neumann运算

3．3 Neumann-Neumann运算

3．4 Dirichlet-Dirichlet运算或FETI方法

3．5 多个子区域的情况

3．6 小结

第四章 大型结构静力和动力地震反应分析

4．1 基于变分原理的结构静力分析近似解法

4．1．1 基于子结构的结构静力分析有限元直接并行算法研究

4．1．2 基于子结构的结构静力分析有限元迭代并行算法研究

4．1．3 BDD(Balancing Domain Decomposition)方法

4．1．4 静力并行计算实例分析

4．2 基于子结构的动力有限元并行计算方法研究

4．2．1 基于子结构的结构动力响应

4．2．2 界面方程的并行求解方法

4．2．3 实例分析

4．3 小结

第五章 大型结构静力非线性和动力非线性地震反应分析

5．1 引言

5．2 基于子结构的静力非线性有限元并行计算方法研究

5．2．1 材料非线性

5．2．2 几何非线性

5．2．3 静力非线性有限元并行计算方法研究

5．2．4 静力非线性并行计算实例分析

5．3 基于子结构的动力非线性有限元并行计算方法研究

5．4 计算实例

5．5 本章小结

第六章 大型结构动力线性分析实例

6．1 万神庙概况

6．2 万神庙结构地震反应分析

6．3 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简介

致谢