| 单词 | 并行计算结构力学 |
| 释义 | 【并行计算结构力学】 拼译：parallel computational structural mechanics 当前，对工程结构的分析和设计，一般采用串行计算机和串行分析方法。但是，随着现代科学技术的发展，出现了如航天飞机、空间站、海洋油气钻井平台、高耸的电视塔等大型或超大型的复杂结构。这些结构系统不仅具有很大自由度的组合结构，还含有非线性因素。因此，对这些结构分析和设计必须借助于高阶的数值分析模型和大量计算。然而，就目前的计算能力，无法按一定的精度和速度要求，统一完成分析计算。 在20世纪70年代初，人们利用高度发展起来的硬件和新的计算机体系结构，组装出了并行计算机。由于并行机不管是在内存，还是在运算速度上都是现在的串行机无法比拟的。因此，它一经问世便受到科学界和工程界的高度重视。国际上，几亿次／秒至几十亿次／秒的并行机已投入使用，几百亿次／秒的并行机已问世。在中国由国防科技大学等单位已研制出10亿次／秒的“银河”Ⅱ型并行计算机。基于并行计算机随之出现了一种新型数值计算方法——并行算法。因为它计算效能高，将成为今后一种主导性的计算方法。在国际上，除了召开多次专门的国际并行计算大会以外，还创办了专业性的并行计算的国际刊物(Parallel Computing)。但是，在计算结构力学中进行并行算法的研究，是在1975年之后才逐渐发展起来的。从1977年到1987年间，有关有限元方法和相应的数值并行计算的文章已发表近200篇。目前，在计算结构力学领域内，围绕着基于变分原理的有限元法和基于边界积分方程的边界元法，以及基于现已问世的各种并行机，已形成一个新的学科分支－并行计算结构力学。它的出现解决了许多应用串行机和串行方法不能完成结构分析和设计的问题。在国际上已针对一些具体的并行机开发研制了一些大型结构分析软件。国内由于受到计算机设备的限制，研究工作起步较晚，但是，已受到工程界和科学界的高度重视。目前，并行计算结构力学正在向两个方向迅速发展。一是子结构并行分析方法，它包含有限元子结构并行算法和边界元并行算法，前者已逐渐趋于成熟，而后者研究尚少。这一方面的研究，在于挖掘结构力学自身的并行性，是计算结构力学并行算法的基本问题。二是对系统方程组实施并行求解的各种算法。当然，上述两个方面的并行分析方法可联合使用。早在1977年，R．E．Fulton讨论了利用子结构方法建立并行过程的问题。之后，不少学者作了这方面的研究工作，他们不但对子结构直接并行算法进行了讨论，还对子结构的划分方法以利于取得最佳效率进行了分析。对有限元子结构并行解法，张汝清提出了具体的并行计算格式。之后，对狭长型类结构，提出了一种新的结点编号和并行静凝聚算法，能有效地节省内存和缩短计算时间；基于Ch01eski分解提出了一种新的并行静凝聚方法，比一般的子结构并行方法，能节省很大的运算量；基于波前法的概念，提出了子结构并行有限元法，对节省内存和提高运算速度都是十分有益的。动力响应问题的并行算法，在国外主要是通过各种动力积分方法的并行化来完成的。C．Farhat等对多种积分方法，包括中央差分法，Wilson－θ法，Newmark法的并行化进行了讨论，提出了在集中质量的情况下，中央差分法的并行效率最好，但是，很少使用子结构方法。对结构动态特性分析的并行算法，张汝清首先给出了子结构模态综合并行求解的理论模型，固定界面子结构模态综合并行解法，并在《并行计算结构力学》一书中又利用子结构方法的概念，对子空间叠代法和Lanczos方法建立起具有特定力学含义的并行算法，并对算法的效率进行了分析。在非线性问题的并行分析方面，C．Farhat、L．Crivell、E．Wilson曾对非线性问题进行了讨论，他们将结构分成可能的弹塑性区和线性区，并将线性区划分为子结构进行并行静凝聚，同时将线性子结构作为超单元组集进总刚，但该方法未对非线性进行静凝聚。对于弹塑性分析，胡宁等利用有限元子结构方法，对线性区和非线性区并行进行静凝聚，提高了并行效率，同时利用多波前并行处理技术，既节约了内存，又提高了运算速度。张汝清利用接触问题的参数变分原理，建立了接触问题子结构并行算法。目前，求解系统方程组的并行算法，在两个方面迅速发展着。一是并行直接解法，二是并行叠代解法。并行直接解法的主要优点是算法稳定性好，精度高，同时，便于对现在广泛使用的串行程序进行修改。但在计算并行求解过程中，由于多次调用系统功能实现并行控制，会浪费不必要的进程等待信息和传递信息时间，导致并行算法的效率下降。并行叠代解法的主要优点是可避免和减少同步控制，并且有些方法如EBE方法，可在不形成总刚度阵的情况下解得结果。它的缺点是不便于和目前现有的大型软件接口。一般来说，叠代解法应用在具有向量处理能力的并行机上效率是高的。J．M．Ortega根据向量计算机和并行计算机的并行环境，全面地系统地介绍了并行直接法和并行叠代解法。在有限元系统方程组的并行直接解法上，如按列高存储的LDLT并行分解方法，及相应的程序已经提出。现在广泛研究和使用的并行叠代解法是共轭梯度法，在这种方法的基础上，实现EBE方法。国外不少学者在这方面作了研究。预计在未来的5～10年内，在如下的几方面将会向着更深入和更广阔的方向发展。即：(1)向各种数值分析方法发展，提出更多高效能的并行分析算法；(2)向具有复杂的非线性本构关系领域发展，如对弹塑性、粘塑性、蠕变损伤、接触以及岩土渗透固结问题等实施高效能的并行算法；(3)向各种大型结构(包含动力、大变形问题等)的分析和设计方向发展；(4)向更加完善和适用方向发展，将在一些特定的并行机上，装配调试一些成熟的并行分析程序，同时，使一些典型的有限元过程，如将生成刚度阵，求解方程，动力积分方法等固定化、模块化，形成并行分析和适用性都很强的，融合并行机和并行软件为一体的有力的分析工具，即所谓有限元机器。【参考文献】：1 Charbel Farhat, Edward Wilson. Comp, Struct, 1988,28 (2):289～3042 Barragy E, Carey G F. Int Jou for Numer meth in Engng, 1988,26:2367～23823 Chien L S, Sun C T.Comp &. struct, 1989,31(2): 1023～ 10294 James M. ortega, Introduction to parallel and Vector Solu-tion of linear systems,Plenum press,19895 张汝清，胡宁．力学与实践，1991，13(6)6 Zhang Ruqing．Applied Mathematics and Mechanics，1991，12(1)∶93～1007 张汝清．并行计算结构力学．重庆：重庆大学出版社，1992．12(重庆大学张汝清教授撰) |
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