[发明专利]结构动力学分析显式异步长并行计算方法

说明书

本发明提供一种结构动力学分析显式异步长并行计算方法，包括四个步骤：(1)通过分区重节点策略生成并行计算所需的数据文件；(2)各分区根据分区单元特性选用时间步长进行显式预测步计算；(3)小步长分区采用显式子循环过程逐层递减求取分区内部与边界节点数据，大步长分区采用主时间步长求取内部与边界节点数据；(4)各分区接受并行所需边界节点数据，更新分区信息，并根据要求计算应变、应力，输出分区节点数据。若主时间步结束则程序终止，否则重新从(2)开始。本发明在大规模动力学并行分析的过程中可以根据分区单元特性选择不同的时间步长，采用重节点策略实现分区异步计算耦合，有效提高了并行效率。

技术领域

本发明涉及一种超级计算机应用技术领域的设计方法，具体是一种结构动力学分析显式异步长并行计算方法。

背景技术

理论、实验与计算是推动科技发展的三驾马车。近年来随着我国在超级计算机研制上的不断投入与技术发展，涌现出了一批以“天河2号”、“神威·太湖之光”为代表的超级计算系统，连续占据着世界TOP500强超级计算系统榜首。伴随着硬件技术的与数值技术的快速发展，计算技术已经成为名副其实的工程利器，在航天装备、深海技术、纳米材料以及生物医学等领域起到了至关重要的作用。

与超级计算系统硬件技术取得一个又一个可喜的突破的相对的是，在高性能计算软件开发与应用上远远滞后于计算硬件系统的发展。与国外数值模拟发达国家相比，无论在仿真算法理论研究、高性能计算软件的研制还是高性能计算的应用方面，我国还存在较大差距。随着现代装备系统复杂性的发展，对高精度、大规模、全过程以及多尺度数值仿真技术提出了更高技术的要求。

为了满足国内科学研究和工程分析的需要，我国每年都要为国外的大型商业软件支付昂贵的使用费用。在有限元分析领域，国外著名的大型商业化软件如Ansys，Abaqus，Ls-Dyna和Adina等均已发布并行计算版本。但由于种种原因它们对中国用户能够操控的最大并行求解核数进行了一系列限制，我国引进的商业有限元软件动力学计算能力大致维持在百万自由度量级，致使我国超级计算机的高效计算性能不能得到充分的发挥。与此同时，从国外引进的商业软件在一些由我国完全独立自主研发的超级计算机上还存在不能正常安装和运行的问题。

对于超级计算机来说，缺乏合适的应用软件就无法开展相应的应用，也就无法吸引用户使用超级计算机高效地解决科学和工程中面临的大规模计算难题。针对这个问题，国内已有部分有远见的学者，开始了相关研究工作，在并行软件开发以及系统应用领域取得一定的成果。但现有的成果在技术层面多基于区域分解策略，解决复杂精细数值仿真能力不足。因此，如何高效地开发出有限元分析并行计算软件以有效拓宽超级计算机的在大规模、高精细、多尺度领域使用迫在眉睫。

经对现有技术文献的检索发现：刘铖等在中国科学：物理学力学天文学,2017,47(10):104603上发表文章“基于区域分解的柔性多体系统高效并行算法”，该文基于FETI(Finite Element Tearing and Interconnecting)区域分解技术，子区域边界采用预条件的共轭梯度(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)迭代算法并行求解线性化后的方程组来提高并行计算的效率。然而采用该方法进行大规模并行结构分析时，系统并行效率并不高。这是由于对大规模问题而言，首先随着子区域数目的增多界面方程的规模和条件数也急剧增加导致其在求解时需要更多的迭代次数才能收敛，由此大幅度增加了系统总的通信量；其次，该方法中所有分区采用相同大小的时间步长，而柔性多体系统需要对部分局域精细划分网格，会导致整体必须使用较小的时间步长，大大增加计算所需时间；此外，该方法并未考虑多核分布式环境的特点，它在求解界面方程时所有子区域进程既要参与局部通信又要参与全局通信。由于节点内与节点间通信延迟的差异，这就造成进程间通信和同步开销会随子区域的增多而明显增加很多。

发明内容