基于多线程技术的有限元并行计算方法研究

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1、湖北工业大学硕士学位论文×100×20=40力．个网格点。高性能计算机产生和发展的目的就是为了满足日益增长的大规模科学与工程计算、事务处理与商业计算的需求。问题求解最大规模是并行计算机最重要的指标之一，也是一个国家高新技术发展的标志。一般地，问题规模分解为输入输出规模、计算规模、内存需求、通信(同步)规模，分别表示问题求解所需要的I／O量、计算量、内存大小和通信量(包括通信次数与通信数据量)。根据在求解中所消耗资源程度，问题又相应分为CPU密集应用，memory密集应用、disk密集应用和网络密集应用。针对不同类型的问题，性能瓶颈也往往不同，

2、并行算法就是要有针对性地消除相应的瓶颈，从而达到缩短计算时间的目的。对高速并行计算的需求是广泛的，但归纳起来主要有三种类型的应用需求n3：1．计算密集(CoMPUTE—INTENSIVE)型应用，如大型科学工程与数值模拟。2．数据密集(DATA—INTENSIVE)型应用，如数字图书馆、数据仓库、数据开采和计算可视化等。3．网络密集(NETWORK—INTENSIVE)型应用，如协同工作、遥控和远程医疗诊断等。在科学和工程计算中，许多应用领域都有挑战性的课题。在磁记录技术应用领域，研究静磁和交互感应以降低高密度磁盘的噪音的计算与模拟；在新药设

3、计应用领域，通过抑制人的免疫故障病毒蛋白酶的作用来研制治疗癌症和艾滋病的药物的计算与模拟；在高速民航应用领域，用计算流体动力学来研制超音速喷气发动机的计算与模拟；在催化作用应用领域，仿生催化剂计算机建模，分析合成过程中的酶作用的计算与模拟；在燃料燃烧应用领域，通过化学动力学计算，提示流体力学的作用，设计新型发动机的计算与模拟；在海洋建模应用领域，对海洋活动与大气流的热交换进行整体海洋模拟的计算机与模拟；在臭氧耗损应用领域，研究控制臭氧消耗过程的化学和动力学机制的计算与模拟；在数字解析应用领域，对大气质量模型进行模拟研究，控制污染的传播，提示其

4、物理与化学机理；在蛋白质结构设计应用领域，使用计算机模拟，对蛋白质组成的三维结构进行研究的计算与模拟；在图像理解应用领域，实时绘制图像或动画的计算与模拟；在密码破译应用领域，破译由长位数组成的密码，求找该数的两个乘积因子的计算与模拟。1．1．3结构工程中有限元分析对高性能计算的需求为了满足日益增长的国民需求，迫切需要建造一些大型或超大型的复杂结构，2湖北工业大学硕士学位论文土木工程技术的不断开拓和发展，使得设计和建造各种各样的大型或超大型的复杂结构成为可能。随着科学技术的进步和生产的发展，工程结构的几何形状和荷载情况日益复杂，规模日益宏大，但

5、要用目前最流行的数值计算方法一有限单元法对这些大型或超大型复杂结构进行精细分析，需要有高性能的计算资源和高性能计算机软件系统昭1。计算机技术的发展推动了有限单元法的发展，也同时使得在电子计算机上利用有限元法进行数值计算和数值分析己成为工程设计中一个必不可少的环节。如何提高有限单元法的计算规模和计算效率愈来愈受到重视。这是由于有限元的误差主要由离散化误差和计算中的舍入误差组成，其中计算舍入误差可通过使用具有大量有效位的现代计算机加以缩小，而离散化误差只有通过缩小单元尺寸来减小，缩小单元尺寸，务必增加计算量和计算时间。大型的地下洞室的精细分析，拱

6、坝的动力优化分析，混凝土徐变问题及结构参数反分析等，都需要很大的计算量和计算时间。例如，对大型地下洞室进行分析时，对于一个的网格需要大约的容量才能存储劲度矩阵。拱坝的动力优化分析在目前速度最快的微机上通常都要计算数十个小时。口1有限元方法的“化整为零，积零为整"的基本思想与并行处理技术的基本原则“分而制之"基本一致，因此有限元方法存在高度的内在并行性。所以研究有限元并行计算是解决以上问题的有效方法。1．2国内外研究现状与发展动态1．2．1并行处理技术的现状随着商品化微处理器、网络设备的发展，以及MPI／P、，M等并行变成标准的发布，出现了机群

7、架构的并行计算机。IBMSP2系列机群系统就是其中的典型代表。在这些系统中，各个节点都采用标准的商品化计算机，它们之间通过高速网络连接起来。现在，越来越多的并行计算机系统采用商品化的微处理器加上商品化的互连网络构造，这种分布存储的并行计算机系统称为机群。一旦国内外所有的高性能计算机厂商都生产这种具有极高性价比的计算机，并行计算就进入了一个新的时代，它的应用达到了前所未有的广度和深度。机群网络并行计算近几年成为国内外研究的热门课题。国际上，机群系统并行环境在进一步完善之中，不少国内外大学推出了自己的机群系统，商业机群也逐渐成熟起来。在国内，中国

8、科学院和国内一些大学投入了相当的力量对其应用理论和方法进行研究，如国家智能计算机研究开发中心的有关机群的在研项目，3湖北工业大学硕士学位论文有机群系统I／0负载的收