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《清华大学》 2003年
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三维有限元并行计算及其在水利工程中的应用

刘耀儒  
【摘要】: 水利工程中的三维有限元计算规模巨大,对并行计算的需求日益迫切。基于此,本论文对有限元的并行计算环境及其在有限元方法上的实施技术进行了讨论和总结,就方程组求解并行和EBE方法做了研究,并编制了PFEM程序,在程序验证和数值测试的基础上,成功地应用于拱坝-地基系统的有限元计算及其开裂分析,取得了如下的创新成果: 1.在大型线性方程组的求解方面,对共轭梯度法及其预处理技术进行了总结,并结合带宽优化技术给出了一个基于Jacobi预处理共轭梯度法的并行求解器,可以充分利用计算和通信的重叠以达到降低通信延迟的目的。数值测试表明,其并行性能良好。 2.对有限元的Element-by-element(EBE)方法进行了详细的推导,并基于Jacobi预处理,导出了有限元EBE方法在分布内存并行机上的并行算法,包括荷载和边界条件处理的EBE并行算法。在数据交换方面,建议了一种按需收集、按需散发的数据交换技术,使得EBE方法适合于分布内存的并行机。同时,本文导出的EBE方法,可以自动实现任务的分配,并能对整个有限元的求解过程实现并行计算。 3.基于EBE方法,采用MPICH和C/C++语言编制了PFEM程序。该程序包括有限元的串行和并行计算以及开裂计算。本文使用厚壁圆筒和悬臂梁的算例,在各种荷载条件下对程序进行了验证,并对简单试件的三维开裂问题进行了数值模拟。 4.将PFEM程序成功地应用于拱坝-地基系统的大规模数值计算,已实现拱坝-地基系统107万自由度的大规模数值计算。这也表明,EBE方法在水利工程中的大规模数值计算上,是一种非常有效的方法,可以有效求解百万自由度以上的大型工程问题。同时,基于一定的判别准则和网格加密技术,使用PFEM程序,对拱坝开裂问题进行了初步研究,得到了一些规律性认识。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TV222

【引证文献】
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1 聂雪媛;丁桦;;基于模型减缩的并行共轭梯度算法研究[J];力学季刊;2012年02期
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1 陈欣;界面元法的开裂和损伤梯度模型及其工程应用[D];清华大学;2004年
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1 张惠军;机群环境下面板堆石坝施工加载有限元并行计算方法研究[D];大连理工大学;2011年
2 李海良;基于EBE策略的铝电解槽磁场有限元并行计算研究[D];中南大学;2011年
3 周奎;含三维裂隙的脆性岩体破坏机理的试验与数值分析研究[D];山东大学;2011年
4 王文昌;数值流形法的前后处理与并行计算方法研究[D];长江科学院;2011年
5 陈英儒;用层状材料的边界元法研究功能梯度材料中的断裂力学问题[D];山东科技大学;2004年
6 赵航涛;自适应大型线性方程组并行算法[D];江南大学;2008年
7 许合伟;用多色SSOR-PCG并行求解有限元方程组[D];长江科学院;2012年
8 狄东超;基于PETSc的并行计算及在基坑工程中的应用[D];上海交通大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张汝清,胡宁;大型结构特征值问题的Lanczos子结构并行算法[J];计算结构力学及其应用;1991年04期
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3 陈永强,郑小平,姚振汉;非均匀材料的应变软化及叠层复合材料破坏过程的数值模拟[J];计算物理;2003年01期
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8 寇晓东,周维垣,杨若琼;三维快速拉格朗日法进行小湾拱坝稳定分析[J];水利学报;2000年09期
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10 章青,卓家寿;三峡船闸高边坡稳定分析的界面元法与评判准则[J];岩石力学与工程学报;2000年03期
【共引文献】
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1 刘纪陆;利用分段Lagrange插值函数求解梁的强迫振动[J];四川建筑科学研究;2000年04期
2 刘纪陆;利用Birkhoff多项式求解结构动力响应的新方法[J];四川建筑科学研究;2001年04期
3 范颖芳,周晶;人工神经网络在受腐蚀钢筋混凝土结构工程中的应用[J];四川建筑科学研究;2004年01期
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5 陈广斌;;关键块体在边坡岩体稳定性评价中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年01期
6 陈奕柏;韩建刚;黄义;;粘弹性梁的随机反应理论分析[J];四川建筑科学研究;2007年05期
7 柯长仁;蒋俊玲;陈升平;;混凝土单轴压缩损伤的模型试验研究[J];四川建筑科学研究;2008年05期
8 石飞停;;高速公路钢筋混凝土桥梁地震易损性曲线建立方法[J];四川建筑科学研究;2008年06期
9 李扬;李自力;;铅芯橡胶支座参数对隔震储罐地震响应的影响[J];四川建筑科学研究;2009年04期
10 鲜荣;廖海黎;李明水;;空间网壳结构风振系数计算分析[J];四川建筑科学研究;2009年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 宋常;冯新;周晶;;高混凝土重力坝在强震作用下损伤破坏的数值模拟[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
2 朱学佳;曹志翔;林俊;张赤宇;麦天佑;;基于随机变量分析的高库大坝结构自振频率的数值计算研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
3 朱虹;施嘉伟;吴智深;Hesham Diab;;快速荷载下FRP片材-混凝土界面性能试验研究[A];第七届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集[C];2011年
4 陈召;;振动法识别张弦结构的索力[A];第十一届后张预应力学术交流会论文集[C];2011年
5 葛东明;;面向控制的弹性高超声速飞行器一体化解析式建模[A];全国结构振动与动力学学术研讨会论文集[C];2011年
6 王杰光;肖明贵;刘宝臣;;滑动最小二乘近似函数的拟合特性及其应用[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2002年
7 张永乐;杨建超;唐德高;;爆炸冲击震动下浮放设备的抛离分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
8 刘哲;彭俊生;;利用超单元法研究双塔结构的自振特性[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
9 高凌天;刘凯欣;刘颖;;无网格方法在冲击动力学中的应用[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
10 江松青;刘文韬;于恒;;微孔洞形核对延性材料损伤与失效的影响[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
2 郑兴;SPH方法改进研究及其在自由面流动问题中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 郭庆勇;非保守系统Fourier卷积型拟变分原理研究及应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 席本强;废弃矿山垃圾填埋场边坡稳定性及加固防渗研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
7 王学庆;考虑土—结构动力相互作用的巨型框架隔震悬挂结构动力响应分析[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 杨庆年;武汉地铁车站深基坑变形特性分析[D];华中科技大学;2010年
9 甄晓霞;大跨径钢桥桥面铺装体系力学行为研究[D];华南理工大学;2010年
10 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
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1 赵大为;空间热循环和辐照环境对LF6铝合金焊接组织及性能的影响[D];河南理工大学;2010年
2 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
3 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
4 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
5 吕海波;岩石三维内部裂隙扩展过程的数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
6 王永伟;框架一剪力墙结构抗震性能分析[D];郑州大学;2009年
7 张琰鑫;农村夯土类住宅抗震性能研究[D];郑州大学;2010年
8 黄艳川;基于核方法的人脸识别算法研究[D];大连理工大学;2010年
9 刘振虎;基于湿模态法的舷侧外伸结构砰击响应[D];大连理工大学;2010年
10 顾慧;基于异构平台的并行计算性能可视化研究[D];辽宁师范大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓安福,唐树名,朱爱军;数值流形法中确定不规则单元的多边形求交法[J];地下空间与工程学报;2005年03期
2 岳中琦,王仁;多层横观各向同性弹性体静力学问题的解[J];北京大学学报(自然科学版);1988年02期
3 程建钢;李明瑞;黄文彬;;有限元分析的并行计算方法[J];北京农业工程大学学报;1994年02期
4 曾水平,蔡祺风,梅炽,刘业翔;铝电解槽熔体中电磁力场的计算机仿真[J];北京科技大学学报;1995年S1期
5 林绍忠;单纯形积分的递推公式[J];长江科学院院报;2005年03期
6 苏海东,谢小玲,陈琴;高阶数值流形方法在结构静力分析中的应用研究[J];长江科学院院报;2005年05期
7 林绍忠;祁勇峰;苏海东;;基于矩阵特殊运算的高阶流形单元分析[J];长江科学院院报;2006年03期
8 林绍忠;祁勇峰;苏海东;;数值流形法中覆盖函数的改进形式及其应用[J];长江科学院院报;2006年06期
9 林绍忠;明峥嵘;祁勇峰;;用数值流形法分析温度场及温度应力[J];长江科学院院报;2007年05期
10 张强林;王媛;曹国利;;等效裂隙岩体THM耦合并行有限元程序开发[J];长江科学院院报;2009年10期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 王泳嘉;;离散单元法——一种适用于节理岩石力学分析的数值方法[A];第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集[C];1986年
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1 李根;基于模拟的水岩耦合变形破坏过程及机理研究[D];大连理工大学;2011年
2 骆志刚;典型结构大型线性方程组的分布式并行算法研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
3 曹国强;基于并行计算技术的离心式叶片泵流场数值模拟及三维设计软件开发[D];辽宁工程技术大学;2005年
4 王福军;冲击接触问题有限元法并行计算及其工程应用[D];清华大学;2000年
5 付朝江;集群MPI环境下有限元结构分析并行计算研究[D];上海大学;2006年
6 张友良;岩土大规模高性能并行有限元系统研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2003年
7 夏江;基于PC集群系统的场地地震反应并行计算研究[D];同济大学;2007年
8 刘伟;铝电解槽多物理场数学建模及应用研究[D];中南大学;2008年
9 张永彬;岩石破裂过程分析并行计算方法研究[D];东北大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王文昌;数值流形法的前后处理与并行计算方法研究[D];长江科学院;2011年
2 谢立刚;PETSc探析与高性能并行数值软件包的设计研究[D];中国科学院研究生院(软件研究所);2004年
3 崔喜宁;大型稀疏矩阵线性方程组的并行算法[D];西北工业大学;2005年
4 张立霞;电磁场有限元分析中并行计算的研究[D];河北工业大学;2006年
5 邵茂敏;模型燃烧室燃烧流场并行计算[D];南京航空航天大学;2006年
6 陈露军;基于MPI的三维井地电磁场并行计算研究与实现[D];成都理工大学;2006年
7 商磊;大规模线性方程组求解的并行算法及应用[D];西北工业大学;2007年
8 刘华磊;解线性方程组的简单GMRES算法研究[D];南京航空航天大学;2007年
9 明峥嵘;数值流形法在大体积混凝土结构温度应力仿真计算中的应用研究[D];长江科学院;2007年
10 王惠春;基于SMP集群的MPI+OpenMP混合并行编程模型研究与应用[D];湘潭大学;2008年
【二级引证文献】
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1 江涛;基于细观力学的脆性岩石损伤—渗流耦合本构模型研究[D];河海大学;2006年
2 郑璀莹;混凝土坝中各种接触面的数值模拟方法研究及工程应用[D];中国水利水电科学研究院;2006年
3 丰彪;面向对象的界面元方法及其与有限元的时域耦合分析模型[D];中国地震局工程力学研究所;2012年
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1 邢芳;基于集群系统并行求解线性方程组的设计与实现[D];辽宁师范大学;2010年
2 魏艳;基于LBM的两相流数值模拟及其并行算法的实现[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 于红军;功能梯度材料断裂行为的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2006年
4 许合伟;用多色SSOR-PCG并行求解有限元方程组[D];长江科学院;2012年
【二级参考文献】
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1 卓家寿,邵国建,陈振雷;工程稳定问题中确定滑坍面、滑向与安全度的干扰能量法[J];水利学报;1997年08期
2 章青,卓家寿;加锚岩体的界面应力元模型[J];岩土工程学报;1998年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杜修力,陈厚群,侯顺载;拱坝-地基系统的三维非线性地震反应分析[J];水利学报;1997年08期
2 刘耀儒;周维垣;杨强;;三维有限元并行EBE方法[J];工程力学;2006年03期
3 温小飞,朱宗柏,胡春枝,肖金生;高性能计算机集群的性能评价[J];武汉理工大学学报(信息与管理工程版);2005年04期
4 黄文雄,王德信,许庆春;高拱坝的开裂与体形优化[J];水力发电;1997年11期
5 金峰,张楚汉,王光纶;拱坝-地基动力相互作用的时域模型[J];土木工程学报;1997年01期
6 罗军,袁明道,杨光华;ANSYS后处理开发及其在快速筑拱坝三维有限元仿真分析程序研究中的应用[J];广东水利水电;2003年01期
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1 钱向东;任青文;赵引;;拱坝的失稳形式及其分析方法[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
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6 吴中如;;典型拱坝的严重事故及解析——第十届全国结构工程学术会议特邀报告[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
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8 张楚汉;;高坝—岩基系统的安全稳定性[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
9 薛利军;计家荣;黄志澎;;锦屏一级拱坝基础处理有限元分析[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
10 王宗敏;;拱坝的弹塑性有限元分析[A];第四届全国结构工程学术会议论文集(下)[C];1995年
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1 刘鑫 王连生 记者 李清波;应力呈“蝴蝶”状 拱坝整体安全[N];四川日报;2011年
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3 安世亚太 雷先华;ANSYS高性能并行计算[N];中国航空报;2005年
4 丹正昂杰;赵敏学到拱坝乡进行慰问[N];甘南日报(汉文版);2007年
5 吴秉熹 朱振明;GPGPU技术在石油领域的应用[N];计算机世界;2011年
6 解丽娜 王瑞博;拉西瓦水电站大坝基础砼分层厚度优化研究项目通过评审[N];青海日报;2007年
7 本报记者 赵波 本报特约记者 刘程 本报通讯员 章立丁;一位巾帼学者的无悔征程[N];解放军报;2005年
8 曙光信息产业有限公司研发中心 温鑫;并行计算软件开发概述[N];中国计算机报;2007年
9 本报记者 李建平;“神威”安腾集群系统腾空出世[N];计算机世界;2003年
10 鹏翔;“神威”安腾集群系统腾空出世[N];中国气象报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘耀儒;三维有限元并行计算及其在水利工程中的应用[D];清华大学;2003年
2 杨令强;高拱坝开裂分析及安全评价[D];天津大学;2003年
3 韦未;拱坝开裂分析及拉应力控制方法研究[D];河海大学;2005年
4 陈良育;并行符号算法若干问题的研究与应用[D];华东师范大学;2008年
5 陈欣;界面元法的开裂和损伤梯度模型及其工程应用[D];清华大学;2004年
6 肖诗云;混凝土率型本构模型及其在拱坝动力分析中的应用[D];大连理工大学;2002年
7 杜建国;基于SBFEM的大坝—库水—地基动力相互作用分析[D];大连理工大学;2007年
8 车轶;混凝土高拱坝孔口配筋与抗裂问题研究[D];大连理工大学;2002年
9 孙林松;三维弹塑性接触问题的线性互补方法及拱坝结构非整体性分析研究[D];河海大学;2001年
10 韩晓凤;锦屏高拱坝施工期性态分析及整体安全度研究[D];广西大学;2003年
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1 黄程;拱坝可视化CAD的关键技术研究与系统开发[D];河海大学;2005年
2 黄茜;种植体—基桩界面结构的三维有限元应力分析[D];四川大学;2005年
3 孙冬梅;水平荷载作用下大直径桩的p-y曲线研究[D];天津大学;2004年
4 史彬;山口水利枢纽工程溢洪道闸室三维有限元整体应力计算分析[D];大连理工大学;2002年
5 肖健;考虑工程桩存在的深基坑回弹空间效应有限元分析[D];天津大学;2004年
6 许涛;高寒地区碾压混凝土坝温度应力仿真分析[D];西安理工大学;2006年
7 李娜;四种颌内矫治器对上颌第一恒磨牙远中移动的三维有限元对比研究[D];中国医科大学;2003年
8 夏巍;胎面双复合流动过程的计算机模拟分析[D];北京化工大学;2001年
9 贾冬;厚覆盖层上的水闸三维有限元静力分析和动力响应分析研究[D];河海大学;2005年
10 郝军刚;四川华能宝兴水电站地下钢岔管三维有限元分析研究[D];西安理工大学;2005年
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