钢筋混凝土框架结构非线性静、动力分析的高效计算平台HSNAS(GPU)——Ⅰ程序开发

基于传统串行计算平台的有限元分析面临精度不足、耗时巨大的问题成为目前高层钢筋混凝土框架结构非线性动力时程分析面临的瓶颈,利用GPU强大的并行计算能力,开发了一种结构非线性有限元静力、动力分析的高精度和高效率分析平台HSNAS(GPU)。针对静力问题提出了适用于GPU计算,且能有效解决结构负刚度问题的位移增量迭代算法,开发了相应的GPU线性方程组并行求解器;针对动力问题,开发了GPU基于Newmark时间积分算法的动力分析软件平台,结合纤维模型单元技术,引入扭转、剪切变形以及材料非线性。算例模型表明,HSNAS(GPU)平台在满足精度条件下能有效地提高结构非线性静、动力分析的计算效率。     

钢筋混凝土框架结构非线性静、动力分析的高效计算平台HSNAS(GPU)——Ⅱ验证分析

利用GPU强大的并行计算能力,开发了一种结构非线性有限元静力、动力分析的高精度和高效率分析平台HSNAS(GPU)。为了验证所开发平台的计算精度和效率,分别对反复荷载作用下的钢筋混凝土构件层次和整体结构层次的拟静力试验以及典型框架结构的振动台试验进行模拟。结果表明HSNAS(GPU)平台得到的计算结果与试验结果吻合较好,该平台能较好地模拟构件轴力-弯矩-剪力的多维耦合效应以及刚度和强度退化等非线性行为,求解精度较高。与传统CPU计算平台相比,HSNAS(GPU)平台显示出12倍~14倍以上的加速效率。鉴于GPU的巨大计算潜能空间,所开发的计算平台为工程应用中大规模梁柱结构非线性有限元分析提供了高精度和高效率的分析手段。     

图形处理器加速算法在复杂高层结构非线性响应分析中的应用

目前有限元分析软件多基于中央处理器的平台方式构建,在处理复杂高层结构非线性响应分析时暴露出计算耗时多、计算效率低以及对计算硬件要求高等问题。图形处理器由于其硬件构造的先天优势,可以提供十倍乃至上百倍于中央处理器的浮点运算和并行计算性能,因而为高层结构非线性计算所面临的瓶颈问题提供了一个切实可行的解决方法。该文在构建异构并行计算平台的基础上,提出一种适用于图形处理器加速的有限元并行数值计算方法。该方法利用精细化结构分析模型的自由度数据和图形处理器中的线程建立一一对应映射关系,对动力响应的隐式积分算法进行图形处理器线程级的并行化处理,并且结合EBE单元级的优化存储空间机制,降低系统方程组求解时对内存空间的需求。通过对比振动台试验结果对该方法进行验证,并对实际高层钢筋混凝土框筒结构工程进行弹塑性地震响应分析,结果显示该文所提方法在保证模型精度前提下能有效提高大型复杂高层结构非线性响应分析效率。     

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。     

使用GPU绘制分形图的混合精度方法研究

从Mandelbrot集分形算法在GPU上的计算速度和绘制效果角度出发,提出了在追求计算速度的单精度算法和追求绘制效果的双精度算法之外的第三种选择--混合精度算法.首先,分析了Mandelbrot集分形算法;其次,对GPU体系结构和CUDA编程模型进行了介绍;再次,在GPU上实现了单、双精度浮点数算法,基于实验结果提出了精度问题;最后,实现了混合精度算法并进行分析.结果显示,GPU上的混合精度优化是计算速度和绘制效果之间的折中,为分形算法的实现提供了新的选择.     

基于GPU的通用计算研究

随着人们对计算性能要求的不断提高，基于GPU的通用计算逐渐成为个研究热点。本文首先研究了基于GPU的通用计算发展过程中硬件和软件的演变，并进。步讨论了适合GPU通用计算的应用，最后对GPU通用计算在小刖领域的研究力向进行概述。     

基于GPU并行的锥体导管架平台结构冰激振动DEM-FEM耦合分析

该文为分析海冰与锥体海洋平台的相互作用,采用离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合方法建立冰激海洋平台结构的耦合模型。通过具有粘结-破碎性能的球体离散单元对海冰的漂移及破碎现象进行计算,海洋平台锥体部分采用平板型壳单元构造,其整体构架及锥体内部的加劲肋采用梁单元构造,即建立壳单元与梁单元组合的锥体海洋平台有限元模型。为提高DEM-FEM耦合算法的计算规模和效率,发展了离散单元与平板型壳单元接触算法及GPU并行环境下参数传递算法。基于此耦合模型分别讨论了平台结构的冰载荷、冰激振动以及锥体应力分布,并与相关实测数据进行对比,为寒区锥体海洋平台的结构设计提供有益的参考。     

基于Bouc-Wen模型的消能减震结构显式非线性时程分析

该文基于Bouc-Wen模型构造了一种2节点12自由度的显式消能器单元;利用修正的向前Euler算法实现了单元内力计算。将该文显式单元及其内力计算方法在完全自主研发的非线性有限元分析程序中完成开发。为提高显式分析效率,自主研发程序采用了CPU+GPU异构并行计算技术。通过与低屈服点钢剪切滞回试验对比,验证了该文显式消能器单元的正确性和适用性。采用该文显式消能器单元模拟某实际消能减震结构的金属消能器;基于结构整体动力分析结果,讨论了金属消能器的减震效果。     

面向通用计算的GPU编程平台

近年来,计算机图形处理单元(GPU)褥到了极大的发展,GPU强大的计算能力,掀起了人们对GPU的通用计算的研究热潮.本文在研究国外最新文献的基础上,介绍了CUDA平台的硬件结构和软件编程模型,并对CUDA平台的编程特点进行了分析.     

地铁隧道爆破开挖对高层框架结构的动态响应

针对城市地铁建设过程中隧道爆破对高层建筑物带来的不利影响,基于萨道夫斯基公式,对现场爆破振动测试与有限元模拟对比分析,现场测试结果与计算结果吻合较好。以框架结构垂向振速为研究对象,采用动力有限元方法对高层框架结构在爆破地震波作用下的响应规律进行了研究,并分析了并行隧道不同开挖工况下高层框架结构不同响应特点。计算结果表明:高层框架结构在爆破地震波影响下存在明显高层放大效应放大倍数最大达3.48倍;地铁隧道已开挖段对高层结构振动有空腔放大效应,空腔放大效应的主要影响因素有框架结构与隧道的间距、已开挖隧道空腔相对爆源位置等,前者影响更显著。     

基于多重网格法和GPU并行计算的大规模壳结构快速计算方法

该文采用将EBE计算策略、多重网格法以及GPU并行计算方法三者相结合的计算策略, 设计了一种新颖的迭代求解方法, 可以有效的提高大规模壳结构的有限元分析效率。该方法中, EBE计算策略将总体运算分解到单元上进行, 可以节约计算内存, 提高单机上问题的求解规模, 并且可以有效地提高隐式有限元算法的并行性;多重网格法通过在疏密不同的网格层上进行迭代, 平滑不同频率的误差分量, 可以加快迭代收敛速度;GPU并行计算方法可以在较低硬件成本的前提下实现高效的并行计算。该文采用统一计算架构(Compute Unified Device Architecture, CUDA)进行程序的编制, 并在采用GTX460显卡的个人计算机执行。数值计算结果表明该方法在保证计算精度的同时可以取得较高的计算加速比。     

MPI/OpenMP+CUDA高性能计算环境的配置及应用

GPU具有优秀的浮点计算性能以及很高的存储带宽,是组建异构机群的首选加速处理器。在分析异构高性能机群典型体系结构的基础上,详细描述如何搭建CPU/GPU异构并行计算环境,并提出相应的程序设计框架。以国际上公认的并行程序测试集NPB为例,验证所提出的程序设计框架的有效性。     

随机波浪作用下海洋平台响应分析与结构优化设计

根据随机响应分析的确定性算法,提出了随机波浪作用下海洋平台结构响应灵敏度分析方法。采用虚拟激励算法,将随机响应灵敏度分析问题转化为稳态简谐响应分析,进一步求出结构随机响应的均值、方差、协方差等统计量的灵敏度。这一过程可直接利用响应分析的程序模块,避免计算振型导数的困难,具有较高的计算效率和精度。与差分法计算结果的比较验证了该方法的效率和精度。在此基础上,研究了随机波浪作用下海洋平台结构尺寸与形状优化方法。本文方法在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX中实现,数值算例验证了算法的有效性。     

高层隔震结构单质点模型的地震响应单纯质点法研究

提出了可以快速计算高层隔震结构地震响应的单纯质点法.这种方法基于基底剪力及能量等效原则,建立简化单质点分析模型与原结构模型之间的转换关系及模型参数取值,引入能量平衡方法计算简化分析模型的包络反应,最后利用能量平衡原理及模型参数转换关系,来预测原高层隔震结构的各层地震反应包络值.给出了分析高层隔震结构加速度、隔震层及上部结构的层间变形、层间剪力等预测计算式.通过22层高层隔震结构工程实例来验证单纯质点法的有效性及计算精度,分析结果表明:简化计算结果与多质点模型时程分析法计算结果相当.所提计算方法计算量少,参数取值明确方便,同时具有良好的地震响应分析精度.     

实时水面模拟方法研究

提出了一种基于GPU的水面实时模拟方法。该方法不依赖于噪声图,而实现了实时的水波生成、折射和反射效果的菲涅耳合成以及水面光照模型的计算。利用GPU在片段处理前的光栅化处理,该方法渲染负荷不会因水面大小和精度而增大。且依赖GPU的高速计算能力,方法可以达到实时。     

基于试验/计算混合模型的动力传动装置混合建模与仿真

为实现高效率、高精度地进行针对复杂结构的动态分析,从子结构的基本思想出发,提出了采用试验模态分析与有限元分析相结合的混合仿真的构想,并在Virtual.Lab平台上实现了该方法。以基于试验测试的柴油机模型和基于有限元分析的传动箱模型为例进行验证,结果表明,该方法与组合级的动力传动装置有限元计算精度基本一致,但规模和效率却远远优于后者。因而,该方法能用较少的计算次数和较短的时间得到较精确的动特性参数。     

一种高超音速热气动弹性数值研究方法

基于热气动弹性的特点,采用松耦合方法建立气动弹性仿真模型。将该问题的求解分解成四步,即气动热的计算、结构的温度分布计算、热结构计算和气动弹性计算。研究了给定温度分布热效应下的气动弹性问题。运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析有限元分析模型,并计算了两种典型高超音速翼面的热结构。运用基于CFD技术的当地流活塞理论计算高超音速非定常气动力。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度和结构支持方式对热气动弹性系统的不同影响。     

利用直接边界元/有限元耦合法分析具有夹层流体的水下航行器的振动特性

利用直接边界元法/有限元耦合法分析具有夹层流体的水下航行器的振动特性(1)利用有限元方法得到模型在空气中的"干"模态参数;(2)根据上一步的结果,利用直接边界元/有限元的耦合方法得到模型浸没在流体中的"湿"模态参数.利用该方法计算了带有舵翼结构的水下航行器尾部结构模型的动态特性.并且对不同的计算方法进行了比较,结果表明本方法可以大大减少数值计算的工作量,提高计算精度.     

基于广义模态截断扩增方法的结构频响拓扑变量灵敏度分析

基于结构拓扑优化设计中的变密度法,采用伴随法推导结构在简谐激励下的频响振幅对单元设计变量的解析灵敏度列式。针对灵敏度数值求解中传统模态位移法引发的低精度问题,通过引入计算成本较低的广义模态截断扩增方法提升灵敏度的计算精度。数值算例将该文方法与全局有限差分法和其他灵敏度计算方法进行了比较。结果证明了该文方法在不同的激励频率及有限元网格密度下高效求解高精度灵敏度的有效性。     

基于GPU的超声弹性成像并行实现研究

为了提高超声弹性成像计算速度,提出使用GPU硬件加速基于互相关技术和相位零估计的弹性成像技术。先描述这两种弹性成像技术的实现细节及特点,然后分析这两种技术的计算密集操作部分的并行化计算可能性,最后通过GPU程序开发工具ArrayFire实现了基于GPU的互相关和相位零估计的超声弹性成像技术。通过模拟和扫描仿真人体组织的弹性成像体模获得的压缩前后数据帧对基于GPU的超声弹性成像方法进行测试与验证。实验结果表明,基于GPU的方法可以大幅提高弹性图计算速度,在处理单帧弹性图条件下,与基于互相关方法比较,加速比达到42,而基于相位零估计的方法在提高数据吞吐量的情况下加速比可达到65。