了得網自然科學_結構動力學並行計算方法及應用

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本書內容共包括9章。第1章是緒論，主要介紹了並行計算機的發展現狀和並行算法設計的基礎知識；第2、第3和第4章分別介紹了結構動力學並行計算的理論基礎、軟件設計方法和繫統集成方法；第5、第6和第7章介紹了結構動力學並行計算的三類主要方法：隱式並行計算方法、顯式並行計算方法和精細積分並行計算方法；第8和第9章分布介紹了並行計算技術在土木工程和機械工程中的典型應用實例。本書可供從事計算數學、計算力學、並行計算、高性能計算、計算機仿真、計算機輔助工程、機械結構設計、建築結構設計等領域的研究與應用技術人員參考。

內容簡介

本書繫統介紹了結構動力學並行計算的理論方法、關鍵技術、軟件繫統和應用實例。主要內容包括並行計算機的發展現狀和並行算法設計的基礎知識，結構動力學並行計算的理論基礎、軟件設計方法和繫統集成方法，結構動力學並行計算的三類主要方法(隱式並行計算方法、顯式並行計算方法和精細積分並行計算方法)以及在土木工程和機械工程中的典型應用實例。
本書體繫完整、內容豐富、取材新穎。可供從事計算數學、計算力學、並行計算、高性能計算、計算機仿真、計算機輔助工程、機械結構設計、建築結構設計等領域研究與應用的技術人員參考。

作者簡介

金先龍，男，博士，1961年8月出生。現任上海交通大學機械與動力工程學院、上海交通大學機械繫統及振動國家重點實驗室教授、博士生導師，上海交通大學高性能計算中心主任，上海超級計算中心上海交通大學分中心主任，全國專用汽車技術標準專業委員會副主任，全國計算機學會

第1章緒論
1.1 結構動力學並行計算的目的與意義
1.2 並行計算機與並行軟件的發展現狀
1.2.1 並行計算機的發展現狀
1.2.2 並行軟件開發環境的發展現狀
1.2.3 並行計算程序庫的發展現狀
1.2.4 並行計軟件的發展現狀
1.3並行算法設計的基礎知識
1.3.1並行算法的評估標準
1.3.2並行算法的設計流程
1.4本書內容安排
第2章結構動力學並行計算的理論基礎
2.1稀疏矩陣理論
2.1.1稀疏矩陣的存儲形式第1章緒論
1.1 結構動力學並行計算的目的與意義
1.2 並行計算機與並行軟件的發展現狀
1.2.1 並行計算機的發展現狀
1.2.2 並行軟件開發環境的發展現狀
1.2.3 並行計算程序庫的發展現狀
1.2.4 並行計軟件的發展現狀
1.3並行算法設計的基礎知識
1.3.1並行算法的評估標準
1.3.2並行算法的設計流程
1.4本書內容安排
第2章結構動力學並行計算的理論基礎
2.1稀疏矩陣理論
2.1.1稀疏矩陣的存儲形式
2.1.2稀疏矩陣結構的圖表示
2.1.3稀疏矩陣的分塊技術
2.1.4稀疏矩陣的排序
2.2線性方程組的計算方法
2.2.1直接求解法
2.2.2迭代求解法
2.3特征值問題的計算方法
2.3.1 Lanczos過程
2.3.2 Lanczos算法
2.3.3 隱式重啟動Arnoldi（Lanczos）方法
第3章結構動力學並行計算的程序設計方法
3.1數學計算的並行程序庫
3.1.1 線性方程組直接求解法的並行程序庫
3.1.2線性方程組迭代求解法的並行程序庫
3.1.3特征值問題求解的並行程序庫
3.2 結構動力學的並行計算程序
3.2.1結構靜力分析的並行計算程序
3.2.2結構模態分析的並行計算程序
3.2.3結構屈曲分析的並行計算程序
3.3計算實例
3.3.1結構靜力分析的計算實例
3.3.2結構模態分析的計算實例
3.3.3結構屈曲分析的計算實例
第4章結構動力學並行計算的繫統集成方法
4.1求解器軟件集成方法
4.1.1 Nastran二次開發
4.1.2 DMAP的結構和功能
4.1.3方程組的自由度
4.1.4建立新的求解序列
4.2前後處理器軟件集成方法
4.2.1 Patran二次開發
4.2.2 PCL的結構與功能
4.3應用實例
4.3.1 項目背景與總體思路
4.3.2 求解器集成軟件
4.3.3 前後處理器集成軟件
第5章結構動力學的隱式並行計算方法
5.1 隱式計算的基本原理
5.1.1 中心差分法隱式格式
5.1.2 Newmark法
5.2 隱式計算的並行方法
5.2.1 並行排序
5.2.2 並行數值分解
5.2.3 並行符號分解
5.2.4 並行求解三角方程
5.3 隱式計算的並行程序
5.4 計算實例
5.4.1 計算模型
5.4.2 並行加速比
第6章結構動力學的顯式並行計算方法
6.1 顯式計算的基本原理
6.1.1 顯式計算的控制方程
6.1.2 顯式計算的遞推方程
6.1.3顯式計算的關鍵問題
6.2顯式計算的並行方法
6.2.1區域分割方法
6.2.2臨界子區域數的確定
6.2.3接觸均衡的區域分割方法
6.3計算實例
6.3.1 空心管踫撞過程的數值模擬
6.3.2汽車踫撞過程的數值模擬
第7章結構動力學的精細積分並行計算方法
7.1精細積分法的基本原理
7.1.1結構動力方程的積分變換
7.1.2指數矩陣的精細計算
7.1.3積分方程的多種求解格式
7.1.4精細積分法的誤差
7.1.5精細積分法的穩定性
7.1.6精細積分法的參數選擇
7.1.7指數矩陣的自適應算法
7.2精細積分法的並行計算
7.2.1 Fourier展開格式的並行計算
7.2.2直接積分和級數解格式的並行計算
7.2.3細粒度並行算法
7.3計算實例
7.3.1 Fourier級數格式的並行計算實例
7.3.2 直接積分格式的並行計算實例
7.3.3級數解格式的並行計算實例
7.3.4 精細積分法的細粒度並行計算實例
第8章並行計算在土木工程中的典型應用
8.1海島碼頭工程場地地震反應的數值模擬
8.1.1 項目背景
8.1.2工程場地三維實體建模
8.1.3工程場地三建模
8.1.4邊界條件和基岩輸入
8.1.5數值模擬結果及分析
8.2沉管隧道結構抗震性能的數值模擬
8.2.1項目背景
8.2.2沉管隧道三維實體建模
8.2.3沉管隧道三建模
8.2.4材料特性的選擇
8.2.5數值模擬結果及分析
第9章並行計算在機械工程中的典型應用
9.1汽車踫撞安全性的數值模擬
9.1.1 項目背景
9.1.2汽車三建模
9.1.3 汽車正面踫撞的數值模擬
9.1.4汽車踫撞事故再現
9.2柔性儲液容器流固耦合的數值模擬
9.2.1項目背景
9.2.2流固耦合數值模擬的理論基礎
9.2.3流固耦合數值模擬的典型應用
參考文獻

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第1章緒論
1.1 結構動力學並行計算的目的與意義
動力學問題在國民經濟和科學技術的發展中有著廣泛的應用，經常遇到的是結構動力學問題，它有兩類研究對像。一類是在運動狀態下工作的機械或結構，例如高速運行的車輛、飛行器等，它們承受著本身慣性及與周圍介質或結構相互作用的動力載荷；另一類是承受動力載荷作用的工程結構，例如建於地面的高層建築和廠房，石化廠的反應塔和管道，它們可能承受強風、水流、地震以及波浪等各種動力載荷的作用。這些結構的破裂、傾覆和垮塌等事故的發生，將給人民的生命財產造成巨大的損失。
結構動力學的研究內容主要有兩個方面，一是結構的動力響應問題；二是模態分析問題。前者分析結構的動力響應特性，以計算結構振動時的動應力和動位移的大小及其變化規律：後者尋求結構的固有頻率和主振型，從而了解結構固有的振動特性，以便更好地利用或減小振動。
方法作為工程數值分析的一種有力工具，廣泛應用於航天、航空、造船、機械、水利、建築以及石油化工等部門。傳統上分析的算法研究都是建立在串行計算機的基礎上，將多維的計算模型設法映射到一維結構，把問題的空間復雜性轉化為時間的復雜性，然後又在算法級、程序級和指令級研究提高計算效率和存儲的策略和方法，獲得了許多精湛算法，開發了一大批優秀的應用軟件。
隨著科學研究和工程技術的不斷發展，出現了諸如航天飛機、空間站、海洋石油鑽井平臺等大型或超大型的復雜結構，它們不但自由度高，而且還含有非線性、隨機載荷和復雜的邊界條件等多種因素。因此，對這些結構的分析需要借助高模型並要進行大量計算。另外，在科學研究領域中，由於一些細觀和微觀結構分析的提出，大型和超大型的計算是不可避免的。這些問題由於計算規模巨大，求解復雜，在傳統的串行機上無法得到滿意的解答。提高計算機計算速度的一個途徑是提高器件本身的速度，但目前器件的速度已接近其極限值了；另一個途徑是改變計算機繫統結構，變串行處理為並行處理，從理論上講，其速度的提高是無止境的。利用並行計算機研究和開發相應的並行算法有可能解決串行機無法解決的存儲量、計算時間和效率等多方面的問題。並行計算機的出現和發展使得計算結構動力學的發展進入一個新的階段，圍繞著基於變分原理法和基於邊界積分方程法，以及各種並行計算機，逐漸形成了一個新的學科分支——並行計算結構力學，其發展速度十分驚人。
……

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