基于異構(gòu)平臺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，計算工作量龐大，對軟件分析平臺的計算速度要求更高。然而目前國內(nèi)外分析軟件多基于單一CPU串行平臺的構(gòu)建方式，計算耗時成為突出問題，如何實現(xiàn)高性能低價格的有限元分析平臺，成為迫切需要解決的問題。采用宏觀有限元模型進(jìn)行非線性分析能有效減小計算工作量、縮短計算時間，然而宏觀有限元模型無法完整描述三維結(jié)構(gòu)非線性特性，可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在較大誤差。為尋求能夠兼顧計算精度

2、與計算效率二者平衡的精細(xì)化模型分析軟件平臺，本文通過CPU串行計算與GPU高性能并行計算相結(jié)合，建立CPU-GPU異構(gòu)平臺，開發(fā)適用于GPU的非線性有限元并行算法程序和軟件，實現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析的高精度、高效率。論文主要研究工作如下：
　　(1)CPU-GPU異構(gòu)平臺建立與驗證。基于CPU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。基于CUDATM并行編程模型分別開發(fā)了適用于GPU加速運算的共軛梯度法(CG)和預(yù)處理共軛梯度法(PCG)并行求解器，實現(xiàn)有限元大型稀疏線性方程組在CPU-GPU異構(gòu)平臺上的高效并行求解，采用多個適用于GPU計算的并行優(yōu)化策略，進(jìn)一步提高了CPU-GPU異構(gòu)平臺的計算效率，并通過框架結(jié)構(gòu)算例初步驗證了異構(gòu)平臺的可靠性和有效性。
　　(2)基于CPU-GPU異構(gòu)平臺的纖維模型非線性分析方法研究。在C

4、PU-GPU異構(gòu)平臺上建立了考慮軸力-彎矩-剪力-扭矩共同作用的纖維模型，對箍筋約束混凝土補充了材料損傷試驗研究，以此建立了約束混凝土的材料模型。提出了適用于GPU計算，且能有效解決結(jié)構(gòu)負(fù)剛度問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算數(shù)據(jù)與GPU線程一一對應(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發(fā)了基于GPU的有限元并行程序，實現(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)平臺的空間殼元非線性分析方法研究。通過分層式的平面應(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)平臺的高精度空間殼元模型，開發(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計算的Newton-Raphson迭代算法，實現(xiàn)了高效的板殼結(jié)構(gòu)非線性有限元分析。通過與試驗結(jié)果對比，表明CPU-GPU異構(gòu)平臺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，并且計算效率較高。
　　(4)基于CPU-GPU異構(gòu)平臺的復(fù)雜高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性動力時程分析方法研究。在CPU-GPU異構(gòu)平臺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并行計算方法。開發(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”計算分解到“單元”上，有效減小系統(tǒng)方程組求解對內(nèi)存空