學(xué)校代號 10532 學(xué) 號 分 類 號 密 級 公開 博士學(xué)位論文 基于 車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程 并行計算方法 學(xué)位申請人姓名 蔡勇 培 養(yǎng) 單 位 機(jī)械與運載工程學(xué)院 導(dǎo)師姓名及職稱 李光耀 教授 學(xué) 科 專 業(yè) 車輛工程 研 究 方 向 汽車 其并行計算方法 論文提交日期 2013 年 9 月 1 日 學(xué)校代號 ： 10532 學(xué)號： 級：公開 湖南大學(xué)博士學(xué)位論文 基于 學(xué)位申請人姓名： 蔡勇 導(dǎo)師姓名及職稱： 李光耀 教授 培養(yǎng)單位： 機(jī)械與運載工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 車輛工程 論文提交日期 ： 2013 年 9 月 1 日 論文答辯日期 ： 2013 年 11 月 14 日 答辯委員會主席： 劉騰喜 教授 2008 A in of in I 2013 基于 車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程并行計算方法 要 汽車車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程有限元計算是汽車 重要組成部分， 主要涉及汽車碰撞和車身覆蓋件成形等工程問題分析，在力學(xué)上涉及到材料非線性、幾何非線性和接觸界面的邊界非線性三類非線性問題， 經(jīng)常面臨著數(shù)值計算量龐大，計算效率低的問題，因而實際應(yīng)用中對并行計算的需求十分強(qiáng)烈。目前常見的有限元并行計算方法多采用區(qū)域分解等粗粒度并行策略， 在以 計算核心的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)集群上運行，計算效率與計算機(jī)節(jié)點數(shù)直接相關(guān)，使用流程復(fù)雜且需要昂貴的硬件支持，因此這種并行計算方法的性價比不高。 現(xiàn)代的圖形處理器 (一種內(nèi)部高度并行的眾核處理器，浮點計算能力遠(yuǎn)高于同時期 運算能力。可編程著色器的出現(xiàn)，使得 有了通用處理器的特征，并開始應(yīng)用于通用計算領(lǐng)域，為大數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬研究帶來了新思路和方法。最初的基于 通用計算技術(shù) (用 高級著色語言編程，并已經(jīng)應(yīng)用于各類有限元計算，但是，由于這一時期的 術(shù)只支持單精度計算，數(shù)據(jù)傳輸效率也不高，導(dǎo)致有限元 行計算的精度低且效率提升有限，工程應(yīng)用局限性大。統(tǒng)一計算架構(gòu) (出現(xiàn)，帶來了高效、直觀的 行程序開發(fā)工具，基于 構(gòu)的 行計算方法具有計算硬件成本低，計算程序開發(fā)簡單等特點。 本文以工程應(yīng)用需求為指導(dǎo)，采用 構(gòu)研究高精度和高效率的顯式有限元細(xì)粒度并行計算方法，以及全流程細(xì)粒度執(zhí)行的并行接觸算法，最終實現(xiàn)在普通個人計算機(jī)上進(jìn)行汽車車身碰撞仿真和薄板沖壓成形仿真兩類大規(guī)模非線性有限元的快速并行計算。本文的主要工作和成果如下： (1) 考慮到非線性顯式有限元天然的可并行性以及 輕量級線程執(zhí)行模式，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于 顯式有限元計算平臺 (發(fā)明專利受理號： 其主要特點在于：建立了線程與單元、線程與節(jié)點、線程與自由度三種層次的抽象映射方法，使顯式有限元計算與 程完美融合。同基于網(wǎng)格分區(qū)的粗粒度有限元并行策略相比，該細(xì)粒度并行策略沒有任何前處理過程， 在單塊顯卡也不存在邊界數(shù)據(jù)處理問題， 能夠大幅度提升計算效率。 因此，可以很方便的實現(xiàn)節(jié)點速度、 位移計算等顯式有限元絕大部分流程在 的高效并行計算。 (2) 針對單元計算中節(jié)點應(yīng)力組裝在 臺上難以并行化的技術(shù)瓶頸，提出了預(yù)索引并行應(yīng)力組裝策略，實現(xiàn)了 邊形單元和 角形單元兩種殼單元在 的細(xì)粒度并行。提出了 基于并行縮減算法的時間步長等單值并行求解方法。實現(xiàn)了顯式有限元算法在 的全過程計算，減少了 數(shù)據(jù)交換的同時，使程序的計算效率達(dá)到最佳化。通過對板殼非線性問題計算表明，該算法的 行計算結(jié)果與原串行算法在 計算的結(jié)果完全一致，與同時期同價格的 比，計算效率有明顯的提升。在 卡上采用 元進(jìn)行 185 萬個自由度的彈塑性大變形問題求解時，可以達(dá)到近37 倍的計算加速比。 (3) 接觸碰撞有限元分析中，接觸算法需占用 70%以上的計算時間，為此，本文提出了包含并行級域接觸搜尋算法、并行防御節(jié)點接觸力計算方法和并行罰函數(shù)接觸力計算方法在內(nèi)的全流程 行的細(xì)粒度并行接觸算法。 級域算法是一種適用于復(fù)雜自接觸問題的高效搜尋算法，其同一級內(nèi)接觸塊的計算獨立性也符合 粒度計算的要求。本文提出了線程與接觸塊一一映射策略、 行排序以及提升 程計算粒度等技術(shù)手段，實現(xiàn)了測試對在 的并行搜尋。在接觸對搜尋階段，本文提出了線程與測試對間的映射策略以實現(xiàn)同一級內(nèi)接觸對的并行搜尋，并采用計算后排序的策略進(jìn)行上一級與下一級間的數(shù)據(jù)交換。在接觸力計算階段，本文采用線程與接觸對間的映射策略給出了穿透量和接觸力細(xì)粒度并行計算方法，并采用原子操作來實現(xiàn)接觸力的離散。最后，基于自主開發(fā)的碰撞仿真軟件 件著作權(quán)編號： 2011采用該軟件在 卡上進(jìn)行 177 萬個自由度的白車身碰撞計算時，可以取得 20 倍左右的計算加速比。 (4) 本文提出了完整的薄板沖壓成形 行計算方法。針對薄板沖壓成形對材料流動模擬要求高的有限元計算特征，提出了包含復(fù)雜材料本構(gòu)計算的單元行計算技術(shù)以及考慮摩擦的接觸力 行計算方法。本文提出了一體化接觸搜尋算法在 的計算策略： 引入了計算機(jī)圖形學(xué)中用于實時碰撞檢測的廣域搜尋方法來完成測試對搜尋，并在建立了相鄰接觸塊信息的前提下，給出了接觸后搜尋中接觸對細(xì)粒度并行更新方 法。在自主開發(fā)的薄板成形仿真軟件件的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于 板料成形并行計算軟件件著作權(quán)編號： 2010并加入異步數(shù)據(jù)輸出模式以及基于 實時顯示技術(shù)，進(jìn)一步提高了軟件的計算效率和實用性。數(shù)值算例表明，該軟件具有較高的計算精度和計算效率，在 卡上，對于數(shù)萬網(wǎng)格數(shù)的仿真模型，可以取得 20 倍以上的加速比，有效縮短了仿真計算時間。 關(guān)鍵詞：圖形處理器；統(tǒng)一計算架構(gòu)；并行有限元；接觸 /碰撞；板料成形 基于 車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程并行計算方法 of is an of AE It is to as of to of E of is a in on as In is to of in a of is at In of to a to to g. to to E of in is to of an is an In a E a is to of of on a 博士學(xué)位論文 as (1) A E on of PU is of is of to E on of E PU to (2) on a a to PU In of on is to of as an E PU is an by PU of 7 PU 7 an 8.5 of (3) a FE of of 0% of an is in of is an of in 于 車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程并行計算方法 is PU to of to of of in a is to in a on is to In on to is to is to on a 2011is on 0 by to a 7 of (4) a PU to E of to of in a In to a in is in is to a is on of a 2010is To of as 0 be by to E of of 士學(xué)位論文 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 . I摘 要 . . 錄 . 1 章 緒論 . 1言 . 1觸碰撞有限元及其并行計算方法發(fā)展概述 . 2本有限元方法及分析軟件 . 2本有限元并行計算技術(shù) . 4觸碰撞有限元分析方法概述 . 5身結(jié)構(gòu)中的接觸碰撞問題 . 6用計算方法的研究現(xiàn)狀 . 7文主要研究內(nèi)容 . 9第 2 章 基于 構(gòu)的 行計算技術(shù) . 12行計算技術(shù) . 12行計算的基本體系結(jié)構(gòu) . 12行算法與編程模型 . 13形處理器的硬件架構(gòu) . 14形處理器的發(fā)展及其可編程性原理 . 14 件比較 . 14于高性能通用計算的 構(gòu) . 15編程和執(zhí)行模型 . 17程方法 . 17程層次結(jié)構(gòu) . 18儲器模型 . 20序執(zhí)行模式 . 21行效率評價準(zhǔn)則 . 22算性能的初步測試 . 22試平臺和測試算例 . 22試結(jié)果分析 . 25章小結(jié) . 25第 3 章 基于 板殼單元顯式并行計算方法 . 27基于 車身結(jié)構(gòu)接觸碰撞過程并行計算方法 殼結(jié)構(gòu)非線性有限元分析算法和程序 . 27心差分格式的顯式積分算法 . 27元技術(shù) . 29式算法的串行執(zhí)行流程圖 . 35式算法的并行性分析 . 37于 顯式有限元并行化策略 . 38算對象與線程間的映射策略 . 38維數(shù)據(jù)存儲模式 . 39于預(yù)索引策略的并行內(nèi)力組裝方法 . 41于并行縮減策略的單值求解方法 . 43行程序整體流程設(shè)計 . 43元并行的特殊化處理 . 44值算例及分析 . 45值算例 . 46值結(jié)果分析 . 51用顯式有限元的 行計算平臺 . 52章小結(jié) . 53第 4 章 基于 車身結(jié)構(gòu)碰撞過程并行計算方法 . 54觸碰撞界面的有限元模型 . 54觸體中接觸界面模型 . 54觸界面的離散處理 . 55觸碰撞問題的有限元算法 . 57域接觸搜尋算法 . 57觸力計算方法 . 59觸碰撞問題的程序執(zhí)行流程 . 62序模塊及計算時間分布 . 62行程序中常用的加速策略 . 63觸碰撞問題有限元分析并行化策略 . 63元計算部分的并行化 . 63域接觸搜尋算法的細(xì)粒度并行化策略 . 64觸力計算的并行策略 . 69值算例及分析 . 70值算例 . 70果分析 . 74章小結(jié) . 75博士學(xué)位論文 章 基于 薄板沖壓成形并行計算方法 . 76板沖壓成形問題的有限元仿真方法 . 76要物理現(xiàn)象及仿真方法 . 76壓仿真的模型建立和計算流程 . 80板沖壓成形關(guān)鍵算法的 算 . 81含復(fù)雜材料模型的單元并行計算技術(shù) . 81化接觸搜尋算法的 現(xiàn) . 82慮摩擦的接觸力與壓邊力并行計算方法 . 83于 薄板沖壓成形并行計算系統(tǒng)開發(fā) . 84步數(shù)據(jù)輸出方式 . 84算精度的保證 . 86于 實時顯示技術(shù) . 87行仿真系統(tǒng)的整體計算流程 . 89值算例及分析 . 91值算例 . 91果分析 . 94章小結(jié) . 95結(jié)論與展望 . 97參考文獻(xiàn) . 99附錄 A 攻讀學(xué)位期間研究成果和發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況 . 114致 謝 . 116博士學(xué)位論文 1第 1 章 緒論 言 汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的支柱作用，汽車工業(yè)的發(fā)展可以推動許多相關(guān)工業(yè)部門的發(fā)展，如：化工、材料、機(jī)械制造、電子等多個產(chǎn)業(yè)。我國的汽車工業(yè)從上世紀(jì)中期到現(xiàn)在發(fā)展迅速， 成為了排名世界前列的汽車制造大國?？墒?，至今國內(nèi)大部分的汽車企業(yè)