并行计算技术在大型桥梁动力响应计算中的应用

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1、高性能计算应用43并行计算技术在大型桥梁动力响应计算中的应用陈向东上海交通大学高性能计算中心上海200240金先龙上海交通大学高性能计算中心上海200240丁峻宏上海超级计算中心上海201203摘要：某大跨度双层斜拉桥规模庞大、结构复杂，其三维有限元模型单元与节点数均超过百万。一般串行计算机难以满足这种大规模数值仿真计算的要求，因此利用上海超级机曙光4000A，采用基于并行计算技术，模拟了斜拉桥在恒载与轻轨车辆共同作用下的动态响应，并比较了不同分区方案对并行加速比的影响。关键词：斜拉桥，三维有限元模型，并行算法，动态响应1.引言（MPP:MassivelyP

2、arallelProcessing）、工作站（微三维精细有限元模型能够更加准确的模拟桥梁机）机群（COW:ClusterOfWorkstation、BeowulfPC-构件空间位置、几何尺寸、材料特性、连接形式，Cluster）。使计算得到的各构件、各板件的应力与变形结果更早期的并行有限元大部分面向向量机、阵列机加准确、详尽。如郑凯锋[1]、Leslaw[2]采用桥梁的三或者处理器数不多的巨型机，以MPP为机器的算法还维精细有限元模型，分析桥梁静力与动力特性。目刚刚开始。然而随着科技的进步和发展，结构分析前，采用三维精细有限元模型还主要集中于中短跨问题正日益向非线

3、性、大规模方向发展，MPP已是当度桥梁，对大跨度桥梁的三维精细有限元模型进行今超级计算机的主要结构之一。MPP并行计算机的体仿真分析，面临的一个难点就是模型规模庞大，计系结构如图1所示。算时间过长，一般串行计算机难以满足这种大规模数值仿真计算的要求，而高性能计算平台及并行算法的应用能够解决这类大规模计算问题。本文建立了某大跨度双层斜拉桥的全三维精细有限元模型，利用上海超级机曙光4000A，采用并行计算技术，分析斜拉桥在恒载作用与轻轨车辆共同作用下的动态响应，并比较了不同区域分区方案对并行效果的影响。图1MPP体系结构示意图2.并行计算技术MPP体系结构是由数百个乃

4、至数千个计算节点和I/O节点组成，这些节点由局域网卡（NIC）通过高2.1并行计算机体系结构性能互联网络相互连接。每个节点相对独立，并拥当前流行的高性能并行机体系结构分为4类：有一个或者多个微处理器（P/C）。这些微处理器均对称多处理共享存储并行机（SMP:Symmetric配备有局部Cache，并通过局部总线或者互联网络与MultiProcessing）、分布共享存储并行机（DSM:局部内存模块和I/O设备相联。DistributedSharedMemory）、大规模并行计算机44《高性能计算发展与应用》2008年第二期总第二十三期2.2曙光4000A超级计算设

5、备是由车体、转向架、轮对以及一系和二系弹簧阻尼本文的研究工作是在上海超级计算中心的曙装置组成的多刚体系统模型，模型如图3所示。光4000A超级计算机上进行的。曙光4000A计算机属于大规模机群系统。机群系统由若干个处理节点组成，每一个节点含有个或者多个微处理器，由高速网络连接在一起，统一调度，协调处理，实现高速并行计算。体系结构灵活性高，易于实现。曙光4000A超级计算机系统主要的技术参数为：采用Myrinet2000互联架构，基于Turbolinux操作系统，使用PlatformLSF系统管理及负载均衡软件，并行环境采用MPI，整个集群节点共使用2560个AMD

6、Opteron芯片，系统内存总容量4256GB，运算能力峰值为10.2Tflop。图2斜拉桥有限元模型2.3基于接触均衡的并行区域分解法有限元模型的并行化，目前常采用的方法是区域分解法。区域分解法就是把一个复杂系统或区域，按照一定的原则(如物理特性、几何形状、离散方式等)分割为若干个子系统或子区域，然后将各个子区域分配给不同的处理器分别并行计算，处理器图3轻轨车辆模型之间通过交互机制(例如MPI方式)进行数据交换。区域分解通常采用的是坐标递归对分方法[3](Recursive主要仿真计算了2种行车工况：（1）单线运CoordinateBisection，简称RCB

7、)。RCB方法能够保证行，车辆以最大运行速度80km/h匀速过桥，运行方各个子区域单元数量相当，但是对于存在大量接触向为从边跨向主跨运行；（2）双线运行，并于主跨的模型来说，接触的搜索与计算需要占用大量的时跨中位置会车，速度均为最大运行速度80km/h；间，该方法不能保证各个节点机负载平衡。因此本三维精细有限元模型能够反映出桥梁细部结构文在坐标递归对分方法的基础上，结合上海超算中的受力情况。图4为桥梁在恒载与双线运行的轻轨车心曙光4000A巨型机的体系结构，设计了基于接触均辆共同作用下的钢桁架VonMises应力。从图4中可以衡分区方法(ContactBalanc

8、eBise