基于calculix的有限元并行算法优化研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于Ｃａｌｃｕｌｉｘ的有限元并行算法优化研究林欣达二‘二〇一五年五月分类号：学校代号：１１８４５２１１１２０５０５６ＵＤＣ：学号：：密级广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于Ｇａｌｃｕｌｉｘ的有限元并行算法优化研究林欣达指导教师姓名、职称：林穗副教授：软件工程学科（专业）或领域名称：计算机学院学生所属学院２７日论文答辩日期：２０１５年５月ＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＧｕａｎ

2、ｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒ（ＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｃｉｅｎｃｅ）ｇｇＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰａｒａｌｌｅｌＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎＣａｌｃｕｌｉｘＣａｎｄｉ；ｉｄａｔｅＬｉｎＸｎｄａＳｕｅｒｖｉｓｏｒＬｉｎＳｕｉｐＭａｙ２０１５ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅＧｕａｎｇｄｏｎｇＵ

3、ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，５１００６摘要摘要有限元法是结构分析中应用最广泛的数值分析法，在国防和经济建设领域的大规模科学计算中占据重要的地位。随着并行计算的不断发展，有限元并行计算为复杂数值分析提供了有力的支持，增加了数值分析的规模，提高了计算的速度和工作效率，促进有限元在大型结构工程中的应用。随后，有限元分析软件的出现有效的继承了有限元技术，其具有分析准确可靠、计算效率高、使用方便、易于扩充和修改等特点，

4、促进了有限元并行化的发展。在商业有限元分析软件处于主导地位的环境下，本文结合广州超算先导系统的有限元并行计算分析平台，以开源有限元求解器Ｃａｌｃｕｌｋ为对象，对其进行多线程和多进程改造和并行算法优化，主要工作有：（１）针对有限元并行计算结合实际应用和求解复杂数值计算问题，探讨了开源有限元求解器Ｃａｌｃｕｌｋ在广州超算先导系统下的并行有限元平台实现原理，给出了并行化改造方案，方案对平台的功能需求和可行性进行探索，给出了ＣａｃｕＨｘ有限元求解器和Ｓｐｏｏｌｅｓ和Ａｒｐａｃｋ之间联合求解的系统框

5、架和工作流程。（２）深入剖析有限元求解器Ｃａｌｃｕｌｉｘ的计算模块ＣＣＸ，充分利用ＣＣＸ对多线程的支持，设计Ｐｓｏｌｖｅｒ接口实现多进程的并行化改造，＿实现了对船舶构件疲劳分析数据的并行计算。（３）针对提高平台在船舶疲劳强度分析中大规模数值计算分析的效率问题，本文给出基于列主元的多行双门檻的不完全ＬＵ分解预处理方法，证明该方法下的不完全ＬＵ分解可以进行下去，运用实际算例进行测试。对船体部件的结构疲劳分析测试结果表明：Ｃａｌｃｕｌｉｘ的多进程并行计算及其并行算法优化提高了计算速度和工作效率。平

6、台通过Ｃ／Ｓ的方式提供服务，方便用户使用，实践证明该平台为船舶设计人员使用Ｃａｌｃｕｌｋ提供了新的方式。本课题研究了广州超算先导系统环境下的Ｃａｌｃｕｌｉｘ有限元并行分析平台，应用到船舶设计领域，扩展了超级计算机的应用领域。关键词：并行计算，并行优化，有限元求解器Ｉ广东工业大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈｅｍｏｓｔｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｙａｎａｓｓ－

7、ｌａｒｅｃａｅｓｃｉｅｎｃｅｃｏｍｕｔｉｎｏｃｃｕｅｓａｎｏｒｔａｎｔｏｓｎｉｎｎａｔｉｏｎｌｙｉ．Ｌｇｓｌｐｇｐｉｉｍｐｐｉｔｉｏｆｉｅｌｄｏｆａｄｅｆｅｎｓｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆａｒａｌｌｅｌｃｏｍｕｔｉｎ，ａｒａｌｌｅｌｐｐｐｇｐｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｒｏｖｉｄｅｓａｓｔｒｏｎｓｕｏｒｔｆｏｒｃｏｍｌｅｘｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｔｈｅｓｃａｌｅｐｇ

8、ｐｐｐｙ，ｇｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｓｉｓｉｍｒｏｖｉｎｔｈｅｓｅｅｄｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｒｏｍｏｔｉｎｙ，ｐｇｐｙ，ｐｇｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｌａｒｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｎｇｉｎｅｅ