gpu并行计算及其在飞行器设计中的应用

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1、GPU并行计算及其在飞行器设计中的应用吴颀2015年6月中图分类号：TJ760.1UDC分类号：004.94GPU并行计算及其在飞行器设计中应用作者姓名吴颀学院名称宇航学院指导教师熊芬芬答辩委员会主席莫波教授申请学位工程硕士学科专业航天工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月GPUParallelComputingwithApplicationtoAircraftDesignCandidateName：QiWuSchoolorDepartment:AerospaceEngineeri

2、ngFacultyMentor:FenfenXiongChair,ThesisCommittee:Prof.BoMoDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AerospaceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位

3、论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要现代飞行器设计是一个典型的多学科设计优化的过程，广泛存在着复杂、费时的仿真分析模型，如：基于有限单元法的结构分析和气动分析，以及学科间的耦合，如：结构和气动的耦合，因此计算量大成为现代飞行器优化设计中一个显著的难题。众所周知，优化算法的效率很大程度

4、上决定了整个优化设计的效率。作为一种性能较为优越的全局优化算法，粒子群优化(ParticleSwarmOptimization,PSO)由于算法结构简单、具有全局搜索能力，在飞行器设计中被广为关注。但是，PSO通过在整个设计空间随机进行搜索而保证最优解的全局最优性，计算时间较长，在现代飞行器设计中应用十分受限。因此，迫切需要提高PSO算法的计算速度。现阶段从算法本身的层面对PSO进行改进，来实现加速的目的几乎已达到一个瓶颈。近年来，图像处理器(GraphicsProcessingUnit,GPU)

5、因其具有良好的浮点计算能力、高并发度、以及相对廉价的特点，被广泛应用于通用计算领域，即GPGPU(General-PurposeComputingonGraphicsProcessingUnits)，在科研及工程领域皆具有巨大的潜力。2007年，NVIDIA推出统一计算架构(ComputeUnifiedDeviceArchitecture,CUDA)并行计算平台，大大推广了GPU的应用，GPU现已被广泛应用于流体力学、有限元仿真、分子动力学等领域。因此，本文首先针对PSO优化费时的问题，提出CUD

6、A平台下基于GPU并行计算的PSO算法，充分利用PSO所具有的并行计算的基本构架，采用GPU对粒子群算法进行细粒度并行化，即将每个粒子的速度位置初始化、适应度估计及速度位置更新同时并行化，实现PSO算法的全面加速计算，大为缩减PSO的计算时间。其次，弹道优化作为飞行器总体优化设计中一个重要的学科，其所得结果的精度和效率对飞行器总体设计具有重要影响。因此，本文提出利用工程上广为应用的直接法——直接打靶法，来离散弹道优化问题，首先将最优控制问题转换为非线性规划问题，然后采用上述提出的并行PSO算法进行

7、求解，将弹道仿真子程序所得的飞行距离作为适应度函数，大幅度缩短了计算时间，为工程及科研提供了新的弹道优化解决方案。此外，基于有限单元法的结构和气动分析在现代飞行器设计中广泛应用，然而计算量大一直是其存在的显著问题。因此，代理模型通常用于替代有限元仿真来进行气I北京理工大学硕士学位论文动和结构分析，但代理模型必然会引入误差，甚至会产生错误的估算结果，而且为了保证代理模型的精度也需要抽取大量的样本，计算量依然很大。因此，本文从并行计算的角度，提出采用GPU来加速有限元仿真分析(ABAQUS和FLUEN

8、T)过程，在避免代理模型引入误差的同时，大为提高了计算效率。通过诸多实例的仿真计算分析以及在飞行器设计中的应用，得出本文提出和研究的诸多基于GPU并行计算的加速策略是有效的，相比于传统的基于CPU(CentralProcessingUnit)串行计算的方式，能够获得非常可观的加速比，因此GPU并行计算在飞行器设计中具有巨大的应用潜力和广阔的应用前景。关键词：粒子群优化；弹道优化；CUDA；GPU；FEA；CFDII北京理工大学硕士学位论文AbstractModernaircraft