Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время широкое применение в
различных областях производства получили высокопрочные
композиционные материалы, позволяющие обеспечить, заданные
физико-механические характеристики и обладающие способностью к
направленному изменению свойств в зависимости от назначения
конструкции. Прочностной расчет конструкций из традиционных и
композиционных материалов для . определения способности
конструкций выдерживать заданные нагрузки часто осуществляется
методом конечных элементов (МКЭ) с использованием ЭВМ. Однако
пакеты прикладных программ (ПШІ), реализующие МКЭ для задач
прочности и строительной механики на ЭВМ второго и третьего
поколений, имеют известные ограничения на класс решаемых
задач, размеры конструкций, диапазон расчетных нагрузок и
т.п., в основе которых лежат ограничения на быстродействие и
доступную память используемых ЭВМ. С появлением новых более
мощных ЭВМ открылись новые, возможности в плане разработки
программного обеспечения МКЭ. Однако, разработка новых пакетов
МКЭ потребует значительных материальных и временных затрат.
Возникает задача переноса существующих ППП МКЭ на другие ЭВМ,
в частности, на векторно-конвейерные (ВК) супер-ЭВМ.
Супер-ЭВМ, обеспечивая для отдельных задач высокую производительность. большинство фортранных программ, разработанных для последовательных ЭВМ, выполняет с производительностью во много раз меньшей пиковой. Это происходит из-за отсутствия взаимной согласованности векторно-конвейерной архитектуры супер-ЭВМ- и алгоритмов, реализованных в программах. Возникают дополнительные проблемы, связанные с распараллеливанием программ МКЭ.
Диссертация посвящена разработке переносимой версии пакета. МКЭ Композит и исследованию проблемы переноса его на ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС".
ППП МКЭ являются типичными программными пакетами для решения научных задач с использованием методов линейной алгебры. Поэтому изучение проблем переноса конкретного программного пакета на конкретную супер-ЭВМ можно рассматривать как определенный опыт в выявлении закономерностей переноса с целью выработки методики переноса.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель работы - создать новую структуру пакета МКЭ Композит так, чтобы он стал расширяемым, переносимым и настраиваемым на разные вычислительные среды; осуществить конкретный эффективный перенос структурированного пакета из системы ОС ЕС в систему СВМ ЕС; исследовать возможности переноса пакета в другие вычислительные среды и. в частности, в вычислительную среду ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС".
-
Предложена новая организация пакета Композит, обеспечивающая возможность его модификации: благодаря введению в пакет специально разработанного интерфейса были сделаны взаимонезависимыми структура хранения и функциональные модули, реализующие алгоритмы МКЭ. Предложенная организация пакета позволяет расширять и модернизировать пакет на основе существующей структуры хранения, изменять структуру хранения, не изменяя функциональных модулей, и, таким образом, эффективно реализовывать пакет на вновь внедряемых ЭВМ и операционных системах.
-
Разработана структура хранения. обеспечивающая эффективную работу пакета Композит на СВМ ЕС. Принципы, положенные в основу разработанной структуры хранения, позволяющие работать с большими массивами и при этом минимизировать число обращений к внешней памяти, являются универсальными. Эти принципы могут быть рекомендованы к применению в других пакетах и в другой вычислительной среде.
-
Разработан алгоритм формирования и решения СЛАУ, позволяющий ограничить вычисления окном оптимального для каждой задачи размера. На каждом шаге алгоритма в окне размещается всегда плотная матрица и производится последовательная факторизация совокупности смежных, расположенных вверху окна строк. Готовность строк для факторизации определяется автоматически. Разработанный алгоритм формирования и решения СЛАУ фронтальным методом, ориентированным на окно, позволил наилучшим образом учесть особенности ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС".
-
Для проведения векторных вычислений разработаны векторные подпрограммы на языке ассемблера, позволяющие
- 5 -повысить производительность и достигнуть супервекторной производительности при проведении факторизации фронтальной матрицы по Холесскому.
структура модифицированного пакета МКЭ Композит;
организация работы с данными в пакете Композит для эффективного исполнения пакета в системе СШ ЕС;
алгоритмы и программы фронтального метода, ориенти -рованяого на окно, реализованного в новых алгебраических фазах пакета МКЭ Композит для эффективного исполнения пакета на ВК супер - ЭВМ "Электроника ССБИС";
алгоритм и процедура на языке ассемблера, реализующие векторную операцию последовательного исключения переменной из всех столбцов фронтальной матрицы по одному опорному столбцу в процессе факторизации фронтальной матрицы по Холесскому для ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС";
алгоритм и процедура на языке ассемблера, реализующие векторную операцию одновременного исключения двух переменных из всех столбцов фронтальной матрицы по двум опорным столбцам в процессе факторизации фронтальной матрицы по Холесскому для ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС".
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Первоначально разработанный для ОС ЕС, пакет МКЭ Композит был модернизирован и сделан расширяемым, переносимым и способным к адаптации в условиях внедрения новых вычислительных мощностей.
Это позволило осуществить перенос пакета Композит и обеспечить эффективное его функционирование в системе СВМ ЕС, а также расширить пакет альтернативными алгебраическими фазами. Полученные результаты были в дальнейшем использованы другими разработчиками при расширении пакета на новый круг задач прочности и при внедрении пакета на новых ЭВМ. Так пакет был расширен возможностью решения задач динамики, устойчивости и теплопроводности путем реализации метода итерации подпространства и метода Ланцоша для решения частичной обобщенной проблемы на собственные значения, а также был внедрен в системе VAX VM3, позволившей значительно расширить графические возможности пакета.
Далее была исследована возможность переноса и адаптации пакета Композит в ВК супер-ЭВМ "Электроника ССБИС" с целью увеличения скорости вычислений. При этом было показано, как должен быть преобразован пакет Композит и как должны быть организованы вычисления, чтобы наиболее эффективно использовать возможности ВК супер-ЭВМ.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Излученные в работе результаты использованы в расчетной практике научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзной школе - семинаре "Методы конечных 'и граничных элементов в строительной механике (МКЭ - 87)" (г.Усть-Нарва, 1987г.); на П-ой Всесоюзной конференции "Проблемы прочности полимерных композиционных материалов" (г. Севастополь,1988г.); на конференции "Актуальные проблемы прочности в машиностроении" (г. Севастополь, 1989г.); на семинарах отделов ИПК РАН: N4 под руководством проф. Ю. Г. Дадаева (1990г., 1992г.), N3 под руководством проф. В. Е Федорова (1992г.), N10 под руководством проф. Е. А. Гребеникова (1992г.); на конференции "Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта (IX школа по ШШ) (г. Адлер, 1991г.)
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отражено в трех работах автора
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 50 наименований и трех приложений. Содержит всего 125 страниц, включающих 93 страницы основного машинописного текста, 13 рисунков.
