[發(fā)明專利]結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析顯式異步長并行計算方法

有效

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• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108228970B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金先龍;馬志強;李俊杰;秦闖
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析顯式異步長并行計算方法，包括四個步驟：(1)通過分區(qū)重節(jié)點策略生成并行計算所需的數(shù)據(jù)文件；(2)各分區(qū)根據(jù)分區(qū)單元特性選用時間步長進行顯式預(yù)測步計算；(3)小步長分區(qū)采用顯式子循環(huán)過程逐層遞減求取分區(qū)內(nèi)部與邊界節(jié)點數(shù)據(jù)，大步長分區(qū)采用主時間步長求取內(nèi)部與邊界節(jié)點數(shù)據(jù)；(4)各分區(qū)接受并行所需邊界節(jié)點數(shù)據(jù)，更新分區(qū)信息，并根據(jù)要求計算應(yīng)變、應(yīng)力，輸出分區(qū)節(jié)點數(shù)據(jù)。若主時間步結(jié)束則程序終止，否則重新從(2)開始。本發(fā)明在大規(guī)模動力學(xué)并行分析的過程中可以根據(jù)分區(qū)單元特性選擇不同的時間步長，采用重節(jié)點策略實現(xiàn)分區(qū)異步計算耦合，有效提高了并行效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超級計算機應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計方法，具體是一種結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析顯式異步長并行計算方法。

背景技術(shù)

理論、實驗與計算是推動科技發(fā)展的三駕馬車。近年來隨著我國在超級計算機研制上的不斷投入與技術(shù)發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批以“天河2號”、“神威·太湖之光”為代表的超級計算系統(tǒng)，連續(xù)占據(jù)著世界TOP500強超級計算系統(tǒng)榜首。伴隨著硬件技術(shù)的與數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展，計算技術(shù)已經(jīng)成為名副其實的工程利器，在航天裝備、深海技術(shù)、納米材料以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用。

與超級計算系統(tǒng)硬件技術(shù)取得一個又一個可喜的突破的相對的是，在高性能計算軟件開發(fā)與應(yīng)用上遠遠滯后于計算硬件系統(tǒng)的發(fā)展。與國外數(shù)值模擬發(fā)達國家相比，無論在仿真算法理論研究、高性能計算軟件的研制還是高性能計算的應(yīng)用方面，我國還存在較大差距。隨著現(xiàn)代裝備系統(tǒng)復(fù)雜性的發(fā)展，對高精度、大規(guī)模、全過程以及多尺度數(shù)值仿真技術(shù)提出了更高技術(shù)的要求。

為了滿足國內(nèi)科學(xué)研究和工程分析的需要，我國每年都要為國外的大型商業(yè)軟件支付昂貴的使用費用。在有限元分析領(lǐng)域，國外著名的大型商業(yè)化軟件如Ansys，Abaqus，Ls-Dyna和Adina等均已發(fā)布并行計算版本。但由于種種原因它們對中國用戶能夠操控的最大并行求解核數(shù)進行了一系列限制，我國引進的商業(yè)有限元軟件動力學(xué)計算能力大致維持在百萬自由度量級，致使我國超級計算機的高效計算性能不能得到充分的發(fā)揮。與此同時，從國外引進的商業(yè)軟件在一些由我國完全獨立自主研發(fā)的超級計算機上還存在不能正常安裝和運行的問題。

對于超級計算機來說，缺乏合適的應(yīng)用軟件就無法開展相應(yīng)的應(yīng)用，也就無法吸引用戶使用超級計算機高效地解決科學(xué)和工程中面臨的大規(guī)模計算難題。針對這個問題，國內(nèi)已有部分有遠見的學(xué)者，開始了相關(guān)研究工作，在并行軟件開發(fā)以及系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域取得一定的成果。但現(xiàn)有的成果在技術(shù)層面多基于區(qū)域分解策略，解決復(fù)雜精細(xì)數(shù)值仿真能力不足。因此，如何高效地開發(fā)出有限元分析并行計算軟件以有效拓寬超級計算機的在大規(guī)模、高精細(xì)、多尺度領(lǐng)域使用迫在眉睫。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)：劉鋮等在中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2017,47(10):104603上發(fā)表文章“基于區(qū)域分解的柔性多體系統(tǒng)高效并行算法”，該文基于FETI(Finite Element Tearing and Interconnecting)區(qū)域分解技術(shù)，子區(qū)域邊界采用預(yù)條件的共軛梯度(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)迭代算法并行求解線性化后的方程組來提高并行計算的效率。然而采用該方法進行大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)分析時，系統(tǒng)并行效率并不高。這是由于對大規(guī)模問題而言，首先隨著子區(qū)域數(shù)目的增多界面方程的規(guī)模和條件數(shù)也急劇增加導(dǎo)致其在求解時需要更多的迭代次數(shù)才能收斂，由此大幅度增加了系統(tǒng)總的通信量；其次，該方法中所有分區(qū)采用相同大小的時間步長，而柔性多體系統(tǒng)需要對部分局域精細(xì)劃分網(wǎng)格，會導(dǎo)致整體必須使用較小的時間步長，大大增加計算所需時間；此外，該方法并未考慮多核分布式環(huán)境的特點，它在求解界面方程時所有子區(qū)域進程既要參與局部通信又要參與全局通信。由于節(jié)點內(nèi)與節(jié)點間通信延遲的差異，這就造成進程間通信和同步開銷會隨子區(qū)域的增多而明顯增加很多。

發(fā)明內(nèi)容