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显式有限元多GPU并行仿真系统开发及其在车身结构设计中的应用

郭维鹏  
【摘要】:汽车车身结构设计是汽车整车开发流程中的关键部分,设计中利用CAE有限元仿真软件进行辅助计算是降低开发成本的重要手段。我国汽车工业使用的仿真软件大多数是国外的。自主仿真软件存在计算效率低,计算规模受硬件限制,后处理流程不完善等问题。因此开发高效,流程完善且可处理大规模问题的自主有限元仿真系统至关重要。基于此,本文通过在有限元仿真中结合GPU并行计算方法,利用GPU的高并发性对有限元计算进行了加速。并且使用多GPU并行计算技术来应对超大规模问题,进一步提升仿真系统的计算效率。同时还开发了基于有限元仿真系统的后处理模块,通过计算数据的二次提取,能高效的分析后处理数据,非常适用于企业处理大批次的计算模型。具体工作内容及成果如下:(1)实现了壳单元全流程的多GPU并行计算,建立了显示有限元分析的多GPU并行计算模型,实现系统的多GPU求解器的开发。首先,调用基于METIS开源软件对有限元模型进行数据分区,保证了各GPU的计算负载均衡,同时使各个分区之间的边界点最少。接着,开发了基于计数排序思想的分区节点预处理算法,以线性复杂度找到了各分区的边界点,成功实现了多GPU并行的数据基础。通过建立位置映射数组,实现不同分区内部单元和节点的链接。并引入边界点分区编号队列,建立边界点传输策略,实现各分区公共边界节点在不同分区的对应传输。(2)改进了多GPU求解器并行算法中的边界点处理策略,利用传输时机相同的特性叠加不同GPU边界点数据的传输时间,进一步提升了多GPU并行过程中的数据传输效率。其次,通过调整寄存器和本地内存的数量多次试验,对节点的坐标位移更新函数、加速度更新函数以及单元计算函数进行了效率优化。最终试验算例结果中,节点位移加速度更新函数优化效果最好,达到40%以上。(3)开发了多GPU并行仿真系统的后处理框架。首先面向对象创建了总输出管理类,用来管理单元,节点等五类输出对象。并且通过为每种输出对象添加内存管理,数据提取和数据输出三大方法,使整个输出框架实现了GPU中后处理数据提取时的内存对齐,极大地提高了从多GPU内存提取后处理数据的速度。同时通过测试发现二进制格式的输出速度明显高于文本格式,因此基于二进制设计了后处理文件模块的输出格式,并设计了基于索引文件的快速提取方法,经测试可以准确提取指定后处理数据,快速实现后处理分析。(4)基于Qt环境开发了仿真系统的界面,提高了系统的易用性和集成度。其中主要包括初始化界面,材料界面,求解界面和后处理界面。最后,通过多组车身模型对系统进行计算验证,其中最大的算例规模达到1200万自由度。结果表明本系统求解结果精度可满足工程需求,后处理模块能准确提取数据进行分析。并且测试算例中双GPU求解器取得27倍以上的绝对加速比,相对单GPU取得1.9倍以上的相对加速比,验证了本文开发的多GPU仿真系统高效的求解性能,以及可用于处理大规模工程问题。


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