CPU-GPU异构平台结构非线性分析软件模块化设计与应用

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1、硕士学位论文CPU-GPU异构平台结构非线性分析软件模块化设计与应用MODULARDESIGNANDAPPLICATIONOFSTRUCTURALNONLINEARANALYSISSOFTWAREBASEDONCPU-GPUHETEROGENEOUSPLATFORM李羽哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TU375学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学硕士学位论文CPU-GPU异构平台结构非线性分析软件模块化设计与应用硕士研究生：李羽导师：滕军教授申请学位：工学硕士学科：土木工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:TU375U.D.C:624AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringMODULARDESIGNANDAPPLICATIONOFSTRUCTURALNONLINEARANALYSISSOFTWAREBASEDONCPU-GPUHETEROGENEOUSPLATFORMCandidate：LiYuSupervisor：Prof.TengJunAcademicDegreeAppliedfor

3、：MasterofEngineeringSpeciality：CivilEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要有限元方法在结构分析领域有着广泛地应用。传统有限元软件的开发基于面向过程的思想并采用Fortran语言，存在着可扩展性差、代码重用性低、可维护性差等缺陷，很大程度上限制了有限元软件的发展。同时，近年来科学研究和工程技术迅

4、速发展，具有庞大的自由度的大型或者超大型的复杂结构的数量增加，利用有限元法基于CPU串行平台对这些结构分析时，分析过程耗时较长，计算效率低，无法满足设计及施工进度的要求。为了克服基于面向过程设计的有限元软件的不足，提高计算效率，针对实际工程和科学研究的需要，开展本文的研究工作。本文采用模块化设计方法完成结构非线性分析软件的架构搭建。根据非线性有限元理论分析充分了解材料非线性问题的特性和非线性方程组的基本数值解法，明确非线性有限元问题基本分析步骤，从而确定软件系统的结构，进行模块划分，明确每个模块的功能、接口以及模块间的调用关系。采用面向对象思想，用程序设计语言设计每个模块的细节

5、，将结构非线性有限元分析问题及其数值解法转化为计算机程序，基于模块化方法完成结构弹塑性软件架构的搭建。建立了基于Qt和VTK的有限元软件前处理可视化系统。为方便用户对模型进行查看和使用本文程序进行计算分析，采用VisualizationToolkit（VTK）图形库和Qt界面库混合编程实现，充分利用Qt中各种类型的控件和VTK的交互渲染功能，实现了可随物体移动的世界坐标系的显示，以及图形的平移、旋转和缩放等功能，为用户提供了良好的可跨平台的交互界面。为使框架得到广泛的使用，本文应用C++语言编写程序，提供了与ABAQUS前处理部分的集成的接口，并集成到可视化系统中。开发实现了基

6、于异构平台的超松弛预处理共轭梯度法和考虑剪切变形的空间梁单元设计。为丰富软件的功能和验证软件的可扩展性，编写了超松弛预处理共轭梯度法和考虑剪切变形的空间梁单元的程序实现，利用软件的扩展性接入软件，通过对空间框架结果的计算分析并与CPU串行计算结果对比，验证软件的正确性、高效性和可扩展性。关键词：异构平台；模块化设计；非线性有限元分析程序-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractFiniteelementmethodhasbeenwidelyusedinthefieldofstructuralanalysis.Thetraditionalfiniteelementsof

7、twarewasusuallydesignedontheconceptofprocess-orientedandusedtheFortranlanguage,whichcausedtheinsufficiencyoftheextensibility,maintainabilityandreusabilityofthesoftware.Itlimitedthedevelopmentoffiniteelementsoftwaregreatly.Andwiththedevelopmentofsci