基于異構(gòu)平臺(tái)的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)分析方法.pdf

1、隨著高層建筑結(jié)構(gòu)向精細(xì)化建模發(fā)展，精細(xì)化的高層三維結(jié)構(gòu)分析模型自由度數(shù)量巨大，計(jì)算工作量龐大，對(duì)軟件分析平臺(tái)的計(jì)算速度要求更高。然而目前國(guó)內(nèi)外分析軟件多基于單一CPU串行平臺(tái)的構(gòu)建方式，計(jì)算耗時(shí)成為突出問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)高性能低價(jià)格的有限元分析平臺(tái)，成為迫切需要解決的問(wèn)題。采用宏觀有限元模型進(jìn)行非線性分析能有效減小計(jì)算工作量、縮短計(jì)算時(shí)間，然而宏觀有限元模型無(wú)法完整描述三維結(jié)構(gòu)非線性特性，可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在較大誤差。為尋求能夠兼顧計(jì)算精度

2、與計(jì)算效率二者平衡的精細(xì)化模型分析軟件平臺(tái)，本文通過(guò)CPU串行計(jì)算與GPU高性能并行計(jì)算相結(jié)合，建立CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)適用于GPU的非線性有限元并行算法程序和軟件，實(shí)現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的高精度、高效率。論文主要研究工作如下：
　　(1)CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)建立與驗(yàn)證?；贑PU和GPU的混合編程思路，讓CPU處理數(shù)據(jù)的讀寫和邏輯控制等順序型任務(wù)，GPU則處理計(jì)算密集的大規(guī)模數(shù)據(jù)操作，建立了與有限元“分而治之”并行

3、思想統(tǒng)一的CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)?；贑UDATM并行編程模型分別開(kāi)發(fā)了適用于GPU加速運(yùn)算的共軛梯度法(CG)和預(yù)處理共軛梯度法(PCG)并行求解器，實(shí)現(xiàn)有限元大型稀疏線性方程組在CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)上的高效并行求解，采用多個(gè)適用于GPU計(jì)算的并行優(yōu)化策略，進(jìn)一步提高了CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)的計(jì)算效率，并通過(guò)框架結(jié)構(gòu)算例初步驗(yàn)證了異構(gòu)平臺(tái)的可靠性和有效性。
　　(2)基于CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)的纖維模型非線性分析方法研究。在C

4、PU-GPU異構(gòu)平臺(tái)上建立了考慮軸力-彎矩-剪力-扭矩共同作用的纖維模型，對(duì)箍筋約束混凝土補(bǔ)充了材料損傷試驗(yàn)研究，以此建立了約束混凝土的材料模型。提出了適用于GPU計(jì)算，且能有效解決結(jié)構(gòu)負(fù)剛度問(wèn)題的位移增量迭代算法，從有限元離散化角度出發(fā)，建立了全局自由度計(jì)算數(shù)據(jù)與GPU線程一一對(duì)應(yīng)映射關(guān)系，結(jié)合纖維模型、材料模型和位移控制算法開(kāi)發(fā)了基于GPU的有限元并行程序，實(shí)現(xiàn)了高精度高效率的梁柱結(jié)構(gòu)非線性模擬。
　　(3)基于CPU-GPU

5、異構(gòu)平臺(tái)的空間殼元非線性分析方法研究。通過(guò)分層式的平面應(yīng)力單元和考慮剪切變形的Mindlin板單元組合，構(gòu)造了基于CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)的高精度空間殼元模型，開(kāi)發(fā)了適用于模擬剪力墻和樓板的二維混凝土滯回本構(gòu)模型，給出了應(yīng)力狀態(tài)更新的混凝土本構(gòu)積分方法，提出了適用于GPU計(jì)算的Newton-Raphson迭代算法，實(shí)現(xiàn)了高效的板殼結(jié)構(gòu)非線性有限元分析。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)建立的空間殼元能夠較為準(zhǔn)確地描述剪力墻復(fù)雜

6、受力狀態(tài)下的非線性行為，并且計(jì)算效率較高。
　　(4)基于CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)的復(fù)雜高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法研究。在CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)上建立了高層建筑結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的空間結(jié)構(gòu)模型，提出了包含復(fù)雜材料本構(gòu)計(jì)算的精細(xì)化空間纖維模型和空間分層式殼元模型的地震響應(yīng)分析GPU并行計(jì)算方法。開(kāi)發(fā)了基于GPU的彈塑性地震響應(yīng)分析程序，結(jié)合EBE技術(shù)將結(jié)構(gòu)的“整體”計(jì)算分解到“單元”上，有效減小系統(tǒng)方程組求解對(duì)內(nèi)存空