浅谈工程结构设计中的高性能计算

摘要：近年来，我国工程结构设计中的高性能计算应用有所发展，高性能计算技术的进步为工程结构设计提供了很大的帮助。高性能计算技术主要以分布式计算资源和网络技术为基础，以高端并行计算技术和可视化为依托，能够很好地解决大型复杂结构高精度分析、优化和控制等问题，从而促进工程结构设计水平和设计质量的提高。本文概要地介绍了高性能计算技术的有关概念和内涵、网格的基本概念以及发展状况，最后说明了高性能计算在工程结构分析中应用的最新进展，供工程设计人员参考。

关键词：工程结构；设计；高性能计算

高性能计算是关系到国家安全和国民经济重要部门的关键技术。在解决我国安全威胁、提高我国产业的自主设计能力和核心竞争力等方面有不可替代的作用，其市场巨大，产业化前景广阔，是各国必争的战略制高点。高性能计算机已成为试验与理论以外的第三种科学发现的工具，与其它学科呈交叉与融合趋势，是科技创新能力建设的关键平台，需要加以重视。

一、高性能计算简介

高性能计算 (High Performance Computing，HPC)，是计算机科学的一个分支，它致力于开发高性能计算机，研究并行算法及开发相关软件。90年代初期，大规模并行处理(MPP)系统己开始成为HPC发展的主流，MPP系统由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。较MPP早几年问世的对称多处理 (SMP)系统由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成，早期的SMP和MPP相比扩展能力有限，不具有很强的计算能力，但单机系统兼容性好，所以90年代中后期的一种趋势是将SMP的优点和MPP的扩展能力结合，发展成后来的CC-NUMA结构，即分布式共享内存。在发展CC-NUMA同时，集群(Cluster)系统也迅速发展起来。集群系统是由多个微处理器构成的计算机节点通过高速网络互连而成，节点一般是可以单独运行的商品化计算机，比MPP具有更高的性价比。

二、网格基本概念介绍

网格是基于互联网的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为用户提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、信息、网页浏览等网络交互功能，而网格功能则更多更强，能让人们透明地使用计算、存储等其他网络资源。通过网格，可在动态变化的多个虚拟机构间共享资源，并协同解决问题。它把整个互联网整合成一台巨大的虚拟超级计算机，实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源及知识资源的全面共享和协同工作。

网格对于高性能计算系统而言是相对较新的新增内容，它有自己的历史，并在不同一的环境中有它自己的应用。网格计算系统的关键元素是网格中的各个节点，它们不是专门的专用组件。在网格中，各种系统常常基于标准机器或操作系统，而不是基于大多数并行计算解决方案中使用的严格受控制的环境。位于这种标准环境顶部的是应用软件，它们支持网格功能。网格可能由一系列同样的专用硬件、多种具有相同基础架构的机器或者由多个平台和环境组成的完全异构的环境组成。许多网格是通过重用现有基础设施组件产生新的统一计算资源来创建的。

在国内，由于网格计算是一项刚起步的研究，因此在网格计算关键技术的研究方面与国外差距不大，基本处于相同的起跑线上，而且政府给予了高度重视。网格研究项目主要有教育科研网格、清华大学的先进计算基础设施ACI (Advanced Computational Infrastructure)、以中科院计算所为主的国家高性能计算环境NHPCE (National HighPerformance Computing Environment)、863计划支持的“中国国家网格 (China Grid)”建设和由中科院计算所领衔开发的“织女星网格”计划。

三、高性能计算在工程结构设计中的应用

（一）强震作用下高层建筑结构性能分析。在建筑结构地震分析中，大震作用下的非线性变形分析是一项技术难度较高的工作。早在上世纪60年代初，人们对非线性分析进行了大量研究并提出了各种计算方法，但非线性分析的实际应用却进展缓慢。这是因为一方面在结构分析模型、单元模型、恢复力模型、数值计算方法等方面还存在许多问题有待解决；另一方面，由于结构非线性分析需要消耗大量计算机资源，普通计算机往往无法胜任，需要高性能计算机才能完成任务。近年来，随着有限元技术和计算机软硬件技术的飞速发展，特别是PC机性能的不断提升和网格技术的普及，在建筑结构抗震设计中对大震作用下的结构性能进行更加精确的分析已经成为可能。目前，已提出了一些行之有效的结构非线性分析方法和能够较真实反映结构非线性特性的数学模型，并编制了商用计算程序，如ABAQUS等。对建筑结构,特别是超高、超长、大跨度等大型复杂结构进行大震作用下的非线性动力分析,面临的主要困难有如下三个方面:一是结构规模大,需要求解自由度达几十万甚至上百万的方程组；二是在材料开始损伤的非线性变形阶段,混凝土的开裂和裂缝扩展对结构性能影响十分敏感；三是单元尺寸和计算步长都不能过大,而且每个时间步内都要进行迭代求解。随着计算技术的发展和计算机软硬件水平的提高,建筑结构非线性分析模型经历了从二维平面模型、层模型到三维空间模型的变化。

（二）计算风工程。在高层、超高层建筑、大跨度空间结构的设计中,风作用是关键的主控作用之一。研究风作用的主要手段有两个:一是风洞试验,二是风环境数值模拟,也称计算风工程(computational wind engineering,CWE)。风环境数值模拟因其可用原型尺度建立计算模型、周期短、费用低等优点,近年来应用越来越广泛。调查统计数据表明,日本重大建筑工程中,进行数值模拟和风洞试验的比例为60%和40%。

计算风工程研究解决的是围绕建筑物的风速场分布问题。采用的主要手段是CFD技术，有诸多因素直接影响模拟分析的收敛性和结果的精确性，如湍流模型、平衡边界层、数值离散格式、边界条件、计算域、网格划分等。大量常见建筑物外形为钝体，建筑风环境数值模拟所涉及的是钝体绕流问题，因此与分离流动特性紧密相关的湍流模型的合理选择非常关键。因大型复杂工程的规模较大，其计算域一般要取工程本身的4――10倍，离散的网格通常要达到数百万以上，数值模拟计算量巨大，对计算设备要求较高，目前的模拟软件都是在工作站上运行的。

（三）大型复杂工程施工模拟。建筑结构的施工方法、施工工艺、施工进度控制等因素对结构受力有着重要影响。以自重为主的恒荷载随主体结构的施工逐渐施加。在施工荷载作用下，结构变形基本在施工过程中逐渐形成。对于一般的施工过程，施工模拟分析需考虑如下4个要点：①变刚度，结构刚度随施工进展而逐渐形成；②变荷载，施工荷载随着施工进展而逐渐施加；③施工找平，这是钢筋混凝土结构的一项特殊施工工艺，结构局部改变了力与变形的规律；④基础沉降，施工过程中的基础不均匀沉降导致结构内力重分布。施工模拟分析实质上是一种分阶段变刚度的计算方法。对应于施工过程的每一个阶段,分别对该状态的结构施加该阶段的荷载并进行分析；不同施工阶段之间状态叠加,即后一阶段的起始状态是前一阶段结束状态,结构变形和内力分别在各阶段叠加,从而实现实际结构施工过程的模拟。

我国土木工程行业的发展很大程度上依靠计算机技术的进步，而计算机技术的进步又很大程度上体现在高性能计算技术的进步。高性能计算基技术的水平在一定程度上能够很好的衡量各工程的高科技技术水平。一方面，高性能计算作为辅助工具，能够使设计人员更加准确地把握工程设计的安全性和适用性，这也是企业提高设计产品科技含量，提高自主创新水平的重要方面。另一方面，计算机软硬件技术的日新月异高速发展，使过去“贵族化”的高性能计算降低了门槛，特别是PC机性能的不断提高和网格技术的普及，促使高性能计算向“平民化”的过渡，使得土木工程行业推广应用高性能计算技术成为可能，但目前仅仅是开始，真正在全行业普及应用还任重道远。

参考文献：

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[3]李春林，卢正鼎，李腊元.基于Agent的计算网格资源管理[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2008(l).