輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的并行計(jì)算研究.pdf

1、隨著科學(xué)研究與工程技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了許多大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析問題.基于有限元方法的輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論就是一種較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算問題,其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在自由度多、并且伴隨列車的運(yùn)行不斷地基于時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值積分求解.特別是隨著輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在道岔動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用,處理的問題更加復(fù)雜,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問題,已成為實(shí)際應(yīng)用中的一大障礙.提高其計(jì)算速度的一個(gè)有效方法就是采用并行計(jì)算技術(shù).該論文對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原有串行程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析,以尋求

2、并行處理的可行方法.首先從有限元模型建立著手,提出了按軌枕序號(hào)編排自由度,可將系數(shù)矩陣中非零元素按近似帶狀排列,使振動(dòng)方程組的求解易于并行.隨后在公式級(jí)對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)振動(dòng)方程組的組建進(jìn)行了優(yōu)化,將組建剛度矩陣、阻尼矩陣和荷載列陣模塊化.通過對(duì)串行程序中各功能模塊計(jì)算工作量的分析,線性方程組的求解在該串行程序中占有75％的工作量,并行求解線性方程組是本論文的一項(xiàng)主要工作.針對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)方程組系數(shù)矩陣的特點(diǎn),分析了現(xiàn)有各種求解線性方程組

3、并行算法的優(yōu)缺點(diǎn),選擇高斯消去法、LU分解、LDR分解和WZ分解法作比較,采用循環(huán)帶狀劃分的方法將系數(shù)矩陣的各行分配到各進(jìn)程,由各個(gè)處理器完成所分配矩陣行的消元和分解.同時(shí)將振動(dòng)方程組的組建交給不同的處理器來完成.最后將并行程序與串行程序的計(jì)算結(jié)果相比較,驗(yàn)證了該并行程序的正確性.采用循環(huán)帶狀劃分、計(jì)算與通信重疊、根據(jù)曙光2000機(jī)結(jié)點(diǎn)計(jì)算能力分配任務(wù)量、合并通信等技術(shù)有效地提高了并行算法效率.分析對(duì)比了各種并行算法的復(fù)雜性,大量的數(shù)值