机群环境下的并行边界元法研究及其在水工结构分析中的应用

摘要

将并行计算技术引入结构的边界元分析,可以从很大程度上增大结构分析的规模,提高分析的速度,从而促进边界元法的大型工程应用和现场实时应用.该文主要在网络微机机群并行计算环境下,对弹性静力、弹性动力和弹塑性结构的并行边界元分析方法进行了研究,并在水工结构分析中进行了实际应用.全文主要内容如下:(1)建立了一个简单易用的局域网微机机群并行计算环境,并给出了详细的计算环境配置和使用方法.(2)提出了边界元系统方程组结点超行的概念,采用结点超行卷帘分布存储方案实现单域边界元系统方程组的并行形成和负载平衡,并在此分布存储方案的基础上改进了单域边界元系统方程组的内存并行高斯-若当消去法;引入内外存交互技术,发展了单域边界元外存并行分析算法,算法根据内存容量和工作区数,对数据进行分块,块内消元采用并行高斯-若当消去,块间采用环状循环修正消元;算法采用本地块内选主元技术平衡外存访问、通信和数值精度和稳定性之间的矛盾;程序设计阶段实现了内存和外存算法的统一和自动识别选用功能.(3)采用重正交技术解决了经典GMRES方法在求解大型三维弹性静力边界元问题过程中出现的基向量正交性丧失的问题;结合边界元基本解和系数矩阵的特点以及并行化的要求,研究了几种预条件技术;并以重正交技术和预条件技术实现了经典GMRES的实用化.分析了经典GMRES算法的复杂度和并行性,提出了实用化技术和并行化技术结合使用的思想,通过对矩阵向量运算的分布并行处理实现了实用化GMRES算法的并行计算;编制了相应的串并行程序,进行了数值试验验证.(4)给出了一种可以在计算的每一个阶段根据不同的计算规模和机群规模,自动识别选用内存或外存算法的边界元子域并行算法;实现了各主要计算步骤的并行化;对于剩余方程组的并行求解,算法可以在不改变当前数据分布状态下,实行并行求解.(5)针对不同子域划分情况和机群配置情况,提出了两种不同并行粒度的负载平衡的子域并行算法:多域一机算法和多机一域算法;算法都是在对计算量和通信量进行评估和获取了机群性能后,将负载均衡分配,不同的只是负载的基本粒度不同,多域一机算法是以子域为基本分配单位,而多机一域算法则是以结点超行为基本单位.(6)通过拉氏积分变换法将弹性动力问题转换至变换域,通过变换域上边界元的分布并行处理实现了弹性动力边界元分析的并行化;引入与时间有关的基本解,解除了时域边界元系统方程组形成阶段的时间顺序依赖性,通过矩阵向量运算的分布并行处理实现方程组时间步进求解方法的并行化,这种方法是一种部分时间并行算法.(7)分析了弹塑性边界元计算各主要过程的计算复杂度和并行性;采用结点超行连续分布存储方案实现了方程系数矩阵的并行形成;通过对矩阵向量运算的并行化处理,研究并发展出了并行增量初应力迭代算法,实现了应力迭代方程的并行求解.(8)将并行弹性静力边界元法应用于水工地下洞室的计算分析之中,进一步验正了算法的高效性和可靠性,显示了算法的应用价值.

目录

文摘

英文文摘

前言

学位论文独创性声明及论文实用授权说明

第一章绪论

1.1研究的背景与意义

1.2研究现状

1.3本文的主要工作

第二章基于MPI的网络并行计算

2.1并行计算概述

2.2网络并行计算

2.3本文建立的网络微机机群并行计算环境

2.4MPI并行编程

2.5MPI编程示例

2.7本章小结

第三章单域弹性静力问题的并行边界元分析

3.1单域弹性静力边界元法

3.2并行性分析

3.3直接法并行计算方案

3.4迭代法并行计算方案

3.5数值算例

3.6本章小结

第四章多域弹性静力问题的并行边界元分析

4.1多域弹性静力边界元法

4.2并行性分析

4.3多域问题的子域并行算法

4.4数值算例

4.5本章小结

第五章弹性动力问题的并行边界元分析

5.1弹性动力边界元法

5.2并行性分析

5.3并行积分变换边界元分析方法

5.4并行时域边界元分析方法

5.5数值算例

5.6本章小结

第六章弹塑性问题的并行边界元分析

6.1弹塑性边界元法

6.2并行性分析

6.3并行计算

6.4并行程序设计

6.5数值算例

6.6本章小结

第七章并行边界元法在水工结构分析中的应用

7.1工程概况

7.2并行边界元计算

7.3计算结果

7.4结果分析

7.5本章小结

第八章总结与展望

8.1全文总结

8.2展望

参考文献

附录A：攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢