[發(fā)明專利]一種等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310265560.9
• 申請(qǐng)日: 2023-03-17
• 公開（公告）號(hào): CN116401908A
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏兆輝;高百川;張昊博;韓錦鵬;劉健力;范洪碩;王啟富
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F9/50
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 尚威

本發(fā)明屬于等幾何分析相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法。該方法包括：S1獲取待處理物體的等幾何體網(wǎng)格模型，將該等幾何體網(wǎng)格模型進(jìn)行劃分獲得多個(gè)體單元、控制點(diǎn)和高斯點(diǎn)，將體單元、控制點(diǎn)和高斯點(diǎn)分別進(jìn)行編號(hào)；S2獲取所有體單元中所有交互控制點(diǎn)對(duì)對(duì)應(yīng)的信息向量組；S3獲取每個(gè)高斯點(diǎn)處的形函數(shù)偏導(dǎo)矩陣；S4計(jì)算交互控制點(diǎn)對(duì)的全局剛度矩陣，以此獲得所有交互控制點(diǎn)對(duì)的全局剛度矩陣，將所有交互控制點(diǎn)對(duì)的全局剛度矩陣進(jìn)行組裝，以此實(shí)現(xiàn)剛度矩陣的異構(gòu)并行組裝。通過本發(fā)明，解決現(xiàn)有等幾何分析方法中剛度矩陣計(jì)算效率低下，內(nèi)存消耗量大，不能對(duì)大規(guī)模高分辨率模型進(jìn)行等幾何分析的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于等幾何分析相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法。

背景技術(shù)

等幾何分析(Isogeometric?Analysis，IGA)作為新型的有限元分析方法，目的在于無縫融合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer?Aided?Design，CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(ComputerAided?Engineering，CAE)。在傳統(tǒng)的CAD和CAE領(lǐng)域中，CAD過程中設(shè)計(jì)出來的模型一般是用非均勻有理B樣條(Non-Uniform?Rational?B?Spline，NURBS)來表示的，而在CAE分析時(shí)使用的方法是用有限元分析(Finite?Element?Analysis，F(xiàn)EA)。FEA使用的幾何表示是網(wǎng)格(Mesh)，這意味著在用FEA進(jìn)行分析之前需要將NURBS表示的模型轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格。轉(zhuǎn)換的過程有2個(gè)不足：第一個(gè)是非常耗時(shí)，模型轉(zhuǎn)換的時(shí)間占了整個(gè)FEA時(shí)間的80％；第二個(gè)是轉(zhuǎn)換的過程是使用網(wǎng)格來逼近CAD模型，會(huì)引入誤差。為了克服這些缺點(diǎn)，等幾何分析直接使用NURBS作為幾何表示來分析，省去了耗時(shí)的轉(zhuǎn)換過程，避免了轉(zhuǎn)換過程中引入的誤差，達(dá)到讓CAD和CAE無縫融合的目的。

盡管與FEA相比，IGA的方法很有前途，且具有精確幾何離散、高階連續(xù)性、CAD模型與CAE模型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)等特性，但剛度矩陣的計(jì)算更加費(fèi)力，這增加了IGA在實(shí)際應(yīng)用中的成本。其原因在于，IGA具有較高的單元連續(xù)性，在相同的自由度下，IGA產(chǎn)生的單元比FEA多得多。多單元導(dǎo)致高斯點(diǎn)的數(shù)量增加，從而增加了組裝剛度矩陣的計(jì)算成本。這一缺點(diǎn)極大地增加了IGA的計(jì)算成本，尤其是在三維分析中。近年來已有許多學(xué)者研究了如何加速等幾何分析剛度矩陣的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模高分辨率模型的等幾何分析，其中，將計(jì)算過程并行化是主流的方法之一。并行計(jì)算是在并行計(jì)算機(jī)上所做的計(jì)算，并行算法將計(jì)算任務(wù)分為多個(gè)子任務(wù)，在同一時(shí)間由不同的GPU、CPU處理器執(zhí)行任務(wù)，以獲得更高的計(jì)算效率。基于CPU/GPU異構(gòu)架構(gòu)，現(xiàn)有的剛度矩陣并行計(jì)算方法往往忽略了CPU的并行計(jì)算能力。CPU負(fù)責(zé)與GPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，全部計(jì)算任務(wù)由GPU負(fù)責(zé)承擔(dān)，導(dǎo)致本機(jī)算力資源和內(nèi)存資源沒有得到有效利用，使等幾何分析方法不具備處理大規(guī)模高分辨率模型的能力。

基于CPU/GPU異構(gòu)架構(gòu)，利用CPU和GPU協(xié)同并行計(jì)算等幾何分析剛度矩陣，該方法有效利用了本機(jī)算力資源和內(nèi)存資源，使等幾何分析方法具備處理大規(guī)模高分辨率模型的能力。因此設(shè)計(jì)等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法，對(duì)等幾何分析具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法，解決現(xiàn)有等幾何分析方法中剛度矩陣計(jì)算效率低下，內(nèi)存消耗量大，不能對(duì)大規(guī)模高分辨率模型進(jìn)行等幾何分析的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種等幾何剛度矩陣CPU/GPU異構(gòu)并行計(jì)算方法，該方法包括下列步驟：

S1將待處理物體進(jìn)行等幾何體網(wǎng)格化獲得等幾何體網(wǎng)格模型，將該等幾何體網(wǎng)格模型進(jìn)行劃分，以此獲得多個(gè)體單元和每個(gè)體單元中對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)和高斯點(diǎn)，并將所述體單元、控制點(diǎn)和高斯點(diǎn)分別進(jìn)行編號(hào)；