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基于Calculix的有限元并行计算平台的设计与实现

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1 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容及意义

1.4文章框架结构

2 有限元并行计算平台总体设计方案

2.1设计思路

2.2系统总体架构

2.3系统工作流程

2.4本章小结

3 Calculix、SPOOLES、ARPACK在分布式系统上的并行实现

3.1cgx前端处理器

3.2ccx后端处理器

3.3SPOOLES并行求解器的实现

3.4P_Solver的设计

3.5本章总结

4 关键技术的设计与实现

4.1有限元网格划分方法

4.2子任务划分策略

4.3任务池方法

4.4任务调度算法

4.5优化策略

4.6本章小结

5 系统测试与分析

5.1测试环境介绍

5.2系统功能测试

5.3系统性能测试

5.4本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士研究生期间申请的软件著作版权

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摘要

随着多核处理器和云计算系统的广泛应用,并行计算不再是计算世界中被束之高阁的偏门领域。有限元求解器,如ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC等作为一种强大的数值分析工具在工程计算领域得到了广泛应用。如何为有限元的发展提供新的解决思路和方法,如何解决大数据环境下复杂有限元计算的效率和准确性问题均是工程界、学术界及行业发展所面临的重要课题。
  针对上述重要问题,构建实现了基于有限元求解器Calculix的并行计算平台。该平台实现了多核及多节点间的两层并行机制,利用Calculix对多线程的支持,实现了多核间的并行计算;利用MPI在多节点间搭建起分布式的并行计算环境。能够实现对实体数据模型的建模、分析及计算,能够对实际工程领域产生的实际模型数据进行分析。充分考虑了节点间的负载均衡及任务调度情况,用区域划分法实现网格划分,减小负载均衡,用MPI作为实现分布式计算的工具。设计上考虑了计算过程中节点间的相互影响及信息的传递情况,实时地对节点间的状态信息进行交互。整个设计方案及系统实现具有一定的开拓性和发展前景。
  方案设计思路及采用的方法正确,经测试,达到了功能要求,具有良好的性能。实现中,对有限元求解器进行了部分改造,基于SPOOLES及ARPACK库可进行并行程序的设计,性能相比单纯的MPI+Calculix的计算方式有了很大提高。

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