有限元的OpenMp并行计算技术

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1、第43卷第5期2013年9月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．43No．5Sep．2013有限元的OpenMp并行计算技术武亮，孙秦(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：传统有限元串行计算技术耗时长、效率低，已远远不能满足工程实践需要。通过分析串行计算的耗时分布、程序可并行性及数据相关性，在保持串行程序不变的基础上，采用基于多线程的OpenMP技术实现单元刚度矩阵形成总体刚度矩阵的程序并行化。针对有限元计算机翼实例进行了不同线程数目下并行加速比的研究，结果表明，

2、OpenMP技术可有效提高有限元计算效率，且存在一个最佳的线程数，使得并行加速比达到最大，此外加速比还与问题的计算量等因素有关。关键词：有限元；并行计算；多线程；OpenMP；加速比中图分类号：0242．21文献标识码：A文章编号：1671．654X(2013)05—0056-05ParallelCalculationTechnologyforFiniteElementBasedonOpenMPWULiang．SUNQin(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniv

3、ersity，Xi’o凡710072，China)Abstract：Traditionalserialfiniteelementcalculationistime—consumingandlow-efficient，whichhasn’beenabletosatisfyrequirementsofengineeringpractice．Basedonmulti-threadtechnology，OpenMPcanmaketheassemblyofglobalstiffnessmatrixfromelementstiffn

4、essmatricesparallelwithoutmodifyingtheoriginalserialprogrambyanalysisofconsumedtimedistributionofserialcalculation，program’Sparallel—izationandthedatacorrelation．Aconclusioncanbedrawnfromthestudyofspeedupsunderdifferentnumberofthreadsinthefiniteelementanalysisofa

5、wingstructurethatOpenMPcanimprovetheefficien—cyoffiniteelementcalculationsignificantly，andanoptimalnumberofthreadsexists，correspondingtoamaximumparallelspeedup．Additionally，theparallelspeedupisdependentontheamountofcalculationoftheproblemtobedealtwithandSOon．Keyw

6、ords：finiteelement；parallelcalculation；multi—threads；OpenMP；speedup引言由于飞机结构尺寸大、结构形状复杂且受载复杂，导致其有限元计算涉及到的单元种类多、单元数量大，而且通常会涉及到复杂的加载条件和约束条件，以及由于复杂的接触、材料属性和几何大变形导致的非线性问题，所有这些因素使得飞机结构有限元计算耗费内存高和求解时间长。传统的串行计算方法难以高效、高精度、大规模地求解有限元问题¨。21。因此，高性能的有限元并行计算已成为一个解决实际工程问题所必备的途径。另

7、外，有限元法把一个整体结构分割成任意部分并对其进行分块处理的思想，使得其存在高度的内在并行性⋯，这也为并行有限元计算的实现奠定了基础。目前，并行有限元计算的实现方式主要是近年来随着计算机技术而发展起来的网络并行计算口j，此种方式以数据的分布式存储为基础，通过计算机之间的消息传递模型实现并行的目的。网络并行的一个重要的特点，就是为编程人员提供了更灵活的控制手段和表达并行的方法，而且可移植性强。这类方法的典型代表就是MPI技术，目前已在并行计算领域得到了广泛的应用。然而上述并行计算方法往往需要多台计算机解决大中型规模的问题，

8、实现方式复杂、代价较大。本文介绍的OpenMP并行方法以多线程技术为基础，能够在单个PC机上实现并行运算，可有效解决中小型规模并行计算问题。该技术基于共享式存储模式，通过创建多个线程以及一定的编程方式，来自动实现并行任收稿日期：2013—07—04修订日期：2013—08一19基金项目：中航工业产学研创新项目(Cxy