并行計(jì)算技術(shù)在大型橋梁動力響應(yīng)計(jì)算中的應(yīng)用

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1、高性能計(jì)算應(yīng)用43并行計(jì)算技術(shù)在大型橋梁動力響應(yīng)計(jì)算中的應(yīng)用?陳向東上海交通大學(xué)高性能計(jì)算中心上海200240?金先龍上海交通大學(xué)高性能計(jì)算中心上海200240?丁峻宏上海超級計(jì)算中心上海201203摘要：某大跨度雙層斜拉橋規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其三維有限元模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)均超過百萬。一般串行計(jì)算機(jī)難以滿足這種大規(guī)模數(shù)值仿真計(jì)算的要求，因此利用上海超級機(jī)曙光4000A，采用基于并行計(jì)算技術(shù)，模擬了斜拉橋在恒載與輕軌車輛共同作用下的動態(tài)響應(yīng)，并比較了不同分區(qū)方案對并行加速比的影響。關(guān)鍵詞：斜拉橋，三維有限元模型，并行算法，動態(tài)響應(yīng)1.引言（MPP:MassivelyP

2、arallelProcessing）、工作站（微三維精細(xì)有限元模型能夠更加準(zhǔn)確的模擬橋梁機(jī)）機(jī)群（COW:ClusterOfWorkstation、BeowulfPC-構(gòu)件空間位置、幾何尺寸、材料特性、連接形式，Cluster）。使計(jì)算得到的各構(gòu)件、各板件的應(yīng)力與變形結(jié)果更早期的并行有限元大部分面向向量機(jī)、陣列機(jī)加準(zhǔn)確、詳盡。如鄭凱鋒[1]、Leslaw[2]采用橋梁的三或者處理器數(shù)不多的巨型機(jī)，以MPP為機(jī)器的算法還維精細(xì)有限元模型，分析橋梁靜力與動力特性。目剛剛開始。然而隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，結(jié)構(gòu)分析前，采用三維精細(xì)有限元模型還主要集中于中短跨問題正日益向非線

3、性、大規(guī)模方向發(fā)展，MPP已是當(dāng)度橋梁，對大跨度橋梁的三維精細(xì)有限元模型進(jìn)行今超級計(jì)算機(jī)的主要結(jié)構(gòu)之一。MPP并行計(jì)算機(jī)的體仿真分析，面臨的一個(gè)難點(diǎn)就是模型規(guī)模龐大，計(jì)系結(jié)構(gòu)如圖1所示。算時(shí)間過長，一般串行計(jì)算機(jī)難以滿足這種大規(guī)模數(shù)值仿真計(jì)算的要求，而高性能計(jì)算平臺及并行算法的應(yīng)用能夠解決這類大規(guī)模計(jì)算問題。本文建立了某大跨度雙層斜拉橋的全三維精細(xì)有限元模型，利用上海超級機(jī)曙光4000A，采用并行計(jì)算技術(shù)，分析斜拉橋在恒載作用與輕軌車輛共同作用下的動態(tài)響應(yīng)，并比較了不同區(qū)域分區(qū)方案對并行效果的影響。圖1MPP體系結(jié)構(gòu)示意圖2.并行計(jì)算技術(shù)MPP體系結(jié)構(gòu)是由數(shù)百個(gè)乃

4、至數(shù)千個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和I/O節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)由局域網(wǎng)卡（NIC）通過高2.1并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對獨(dú)立，并擁當(dāng)前流行的高性能并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)分為4類：有一個(gè)或者多個(gè)微處理器（P/C）。這些微處理器均對稱多處理共享存儲并行機(jī)（SMP:Symmetric配備有局部Cache，并通過局部總線或者互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與MultiProcessing）、分布共享存儲并行機(jī)（DSM:局部內(nèi)存模塊和I/O設(shè)備相聯(lián)。DistributedSharedMemory）、大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)44《高性能計(jì)算發(fā)展與應(yīng)用》2008年第二期總第二十三期2.2曙光4000A超級計(jì)算設(shè)

5、備是由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對以及一系和二系彈簧阻尼本文的研究工作是在上海超級計(jì)算中心的曙裝置組成的多剛體系統(tǒng)模型，模型如圖3所示。光4000A超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。曙光4000A計(jì)算機(jī)屬于大規(guī)模機(jī)群系統(tǒng)。機(jī)群系統(tǒng)由若干個(gè)處理節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)含有個(gè)或者多個(gè)微處理器，由高速網(wǎng)絡(luò)連接在一起，統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)高速并行計(jì)算。體系結(jié)構(gòu)靈活性高，易于實(shí)現(xiàn)。曙光4000A超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)為：采用Myrinet2000互聯(lián)架構(gòu)，基于Turbolinux操作系統(tǒng)，使用PlatformLSF系統(tǒng)管理及負(fù)載均衡軟件，并行環(huán)境采用MPI，整個(gè)集群節(jié)點(diǎn)共使用2560個(gè)AMD

6、Opteron芯片，系統(tǒng)內(nèi)存總?cè)萘?256GB，運(yùn)算能力峰值為10.2Tflop。圖2斜拉橋有限元模型2.3基于接觸均衡的并行區(qū)域分解法有限元模型的并行化，目前常采用的方法是區(qū)域分解法。區(qū)域分解法就是把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)或區(qū)域，按照一定的原則(如物理特性、幾何形狀、離散方式等)分割為若干個(gè)子系統(tǒng)或子區(qū)域，然后將各個(gè)子區(qū)域分配給不同的處理器分別并行計(jì)算，處理器圖3輕軌車輛模型之間通過交互機(jī)制(例如MPI方式)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。區(qū)域分解通常采用的是坐標(biāo)遞歸對分方法[3](Recursive主要仿真計(jì)算了2種行車工況：（1）單線運(yùn)CoordinateBisection，簡稱RCB

7、)。RCB方法能夠保證行，車輛以最大運(yùn)行速度80km/h勻速過橋，運(yùn)行方各個(gè)子區(qū)域單元數(shù)量相當(dāng)，但是對于存在大量接觸向?yàn)閺倪吙缦蛑骺邕\(yùn)行；（2）雙線運(yùn)行，并于主跨的模型來說，接觸的搜索與計(jì)算需要占用大量的時(shí)跨中位置會車，速度均為最大運(yùn)行速度80km/h；間，該方法不能保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)負(fù)載平衡。因此本三維精細(xì)有限元模型能夠反映出橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)文在坐標(biāo)遞歸對分方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合上海超算中的受力情況。圖4為橋梁在恒載與雙線運(yùn)行的輕軌車心曙光4000A巨型機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于接觸均輛共同作用下的鋼桁架VonMises應(yīng)力。從圖4中可以衡分區(qū)方法(ContactBalanc

8、eBise