Rapolder, M. · OpenGrey (Institut de l'Information Scientifique et Technique) · 2000
In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur effizienten und robusten nichtlinearen dynamischen Berechnung von gekoppelten Systemen mit sehr vielen Freiheitsgraden vorgestellt. Die numerische Simulation erfolgt mit einem modifizierten Zeitintegrationsverfahren sowie einer adaptiven Schrittweitensteuerung. Die Algorithmen werden insbesondere fuer die numerische Behandlung von Interaktionsvorgaengen und fuer die Kontaktsimulation optimiert. Mit Hilfe der Paralellisierung auf Elementebene kann die verwendete semi-analytische Finite-Element-Berechnung beschleunigt werden. Die Leistungsfaehigkeit der entwickelten Verfahren wird mit der Simulation von unverankerten, fluessigkeitsgefuellten Behaeltern unter Erdbebeneinwirkung demonstriert. (orig.)
Cited by 0Open access
Al-Sayegh, Ammar Taher · Purdue e-Pubs (Purdue University System) · 2007
This research is concerned with the parallel finite element analysis (PFEA) of structures. For structural engineering problems, parallelization has been typically accomplished by one, or possibly a combination of three types of algorithms; namely: node-wise algorithms, element-wise algorithms, and domain-wise algorithms. These algorithms focus on partitioning schemes that optimize one of the solution steps in PFEA, while the other steps are parallelized without optimization, or not parallelized at all. In this work, a parallel scheme is devised that efficiently parallelizes all steps of PFEA. This work introduces a new approach that considers the four steps of nonlinear finite element analysis. (i) element state determination, (ii) assembly, (iii) application of boundary conditions, and (iv) solution of the governing system of equations, as computational units. A computational unit has processing, storage, and communication requirements. It can be partitioned into blocks of rows. Each block of rows in these processing units is contained within a separate computing processor. Using this paradigm, a procedure is devised that minimizes inter-processor communication, reduces data redundancy, and balances computational workload among processor by migrating rows from one block to another. The new Row-Wise PFEA (RWPFEA) algorithm is based on a row-wise matrix distribution. Thus, it is capable of exploiting the nature of distributed compressed row sparse (CRS) matrices and multivectors to improve concurrency. As part of this research a new dynamic load balancing (DLB) technique has also been devised. The DLB technique has been designed specifically to balance the computational workload among processors most suited for nonlinear analysis of structures. This new algorithm has been implemented in ParaStruc, a parallel structural analysis system, which has been built on Trilinos, a set of parallel numerical libraries developed by researchers in the Sandia National Laboratory. ParaStruc is a lightweight fully parallelized PFEA system, which contains only two classes, a preprocessor, a postprocessor, and a math library. Preliminary studies have shown this to be a promising approach, since superior performance advantage in terms of speedup, efficiency, and isoefficiency has been achieved in the nonlinear analysis of structures under static and dynamic response. The performance and efficiency of this algorithm has been verified with numerical simulations of a high-rise 3-D building structure. The results of ParaStruc have been compared with those obtained using the ABAQUS, which is a leading commercial finite element analysis software with parallel processing and dynamic load balancing capabilities. Finally, the performance of the proposed parallel system is studied for two types of parallel architectures, namely, shared memory and distributed memory systems. It is found that its performance is excellent in both architectures. However, in general, the performance in the distributed memory system is superior to that in the shared memory system. This is because the additional local memory inherent to these systems positively affects the performance of the memory-dependent state determination step, which is the most time consuming step in the analysis.
Cited by 0
Chibani Lotfi, Fares, Redouane · 2025
Cited by 0Open access
Izuru Shirai, Shinobu Yoshimura, Genki YAGAWA · TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS Series A · 1999
In large scale linite element (FE) analyses of over ten millions degrees of freedom (DOFs), it is very difficult not only to calculate but also to visualize them. This difficulty in visualization is mainly caused due to the following two reasons. Firstly, verification for large-scale analysis requires highly Interactive user interface. Secondary, it can not be handled on a conventional single processor machine any more. This paper describes a prototype of the visualization system for large scale FE solutions with millions of DOFs using a virtual reality environment named CABIN for the former issue and a PC-based cluster consisting of 24 PEs (DEC Alpha 533 MHz) for the latter issue. CABIN provides a large scale and realistic space in immersive multiscreen display. This makes it easy to understand the results, but requires excessively computer resources. Thus we employ the PC-based cluster, which supplies the processed data to the front-ended CABIN system. Practical performances of the present system are demonstrated for both three-dimensional elastic and fluid flow analyses.
Cited by 0Open access
Lang Shimeng, Gaku Hashimoto, Okuda Hiroshi · 2017
Cited by 0
Hideaki SONOBE, Shunichi Suzuki, Wataru Hotta et al. · WORLD SCIENTIFIC (EUROPE) eBooks · 2024
Cited by 0
Manuel E. Cruz, Anthony T. Patera · International Journal for Numerical Methods in Engineering · 1995
Abstract We present a new first‐principle framework for the prediction of effective properties and statistical correlation lengths for multicomponent random media. The methodology is based upon a variational hierarchical decomposition procedure which recasts the original multiscale problem as a sequence of three scale‐decoupled subproblems. The focus of the current paper is the computationally intensive mesoscale subproblem, which comprises: Monte‐Carlo acceptance–rejection sampling; domain generation and parallel partition based on Voronoi tesselation; parallel Delaunay mesh generation; homogenization‐theory formulation of the governing equations; finite‐element discretization; parallel iterative solution procedures; and implementation on message‐passing multicomputers, here the Intel iPSC/860 hypercube. Two (two‐dimensional) problems of practical importance are addressed: heat conduction in random fibrous composites, and creeping flow through random fibrous porous media.
Cited by 68
Masaaki SAKURABA, Seizo Tanaka, Kazuo Kashiyama · Journal of Applied Mechanics · 2001
This paper presents a parallel finite element for the analysis of non-linear free-surface flows. The incompressible Navier-Stokes equation based on ALE description is employed for the basic equations. The stabilized FEM based on the SUPG/PSPG method is employed for the descretization. Parallel implementation of the unstructured grid based formulation is carried out on the PC cluster. The present method is applied to the sloshing problem of a rectangular tank and actual dam. The effect of parallelization on the efficiency of the computations are examined using some different network environments.
Cited by 4Open access
Xiaojing Dong, Yinnian He Yinnian He · Journal of Computational Mathematics · 2023
Cited by 4
Asifa Bano, Shipra Sinha, K. Seshagiri Rao · 2023
Most urban tunnels are located at shallow depths which pass through stratified rockmass and are extremely vulnerable to impact loads such as falling heavy objects and projectiles. The present study aims to comprehend the behaviour and deformation pattern of twin tunnels in stratified rockmass under impact loads using finite element method (FEM) based numerical simulation. The analysis was carried out for various stratified rockmasses such as homogeneous, stratified horizontal layers of two, and three at an impact load of 20kg, 30kg, and 40kg. Deformation at the crown of a homogeneous rockmass is less than that at the spring line, and similar behaviour is observed in stratified horizontal layers of two and three. In comparison to stratified rockmass, homogeneous model exhibits the most damage and deformation. In the case of stratified horizontal layers of three, there was relatively less damage and deformation. This paper establishes that rockmass properties and formation thickness influences deformation under impact loads.
Cited by 0Open access
Ma Haohao, Azizan As’arry, Yanwei Feng et al. · Advances in Mechanical Engineering · 2024
This paper presents a comprehensive study on the design optimization of a robotic gripper, focusing on both the gripper modeling and the optimization of its parallel mechanism structure. This study integrates the Black-winged Kite Algorithm (BKA), Finite Element Analysis (FEA), Backpropagation Neural Network (BPNN), and response surface optimization techniques. The Good Point Set (GPS), nonlinear convergence factor, and adaptive t-distribution method improve BKA, which enhances exploration and exploitation performance, convergence speed, and solution quality. Subsequently, the parallel mechanism structure is designed to minimize the total mass, total deformation, and maximum equivalent stress. The central composite design (CCD) method was used to design the FEA experiment and establish the BKA-BPNN regression prediction model. The RMSE of this model’s training set and test set are 0.001615 and 0.0029328. A response surface optimization model is constructed to determine the best design solution. The optimized design achieves a 33.12% reduction in maximum equivalent stress, a 1.47% decrease in total mass, and a 0.16% reduction in maximum total deformation. This study provides valuable insights into the design optimization process for robotic grippers, showcasing the effectiveness of the proposed methodologies in enhancing performance while reducing mass and improving structural integrity.
Cited by 13Open access
T. Horie, Hiroyuki KURAMAE · TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS Series A · 1995
Since the computing environment with many workstations on networks has recently become available, these workstations can be regarded as a virtual parallel computer to perform finite element analyses. There are some problems such as the limitation of communication capacity for large-scale computing using a cluster of workstations on a network. The parallel performance of finite element algorithms, such as the Gaussian elimination method, the conjugate gradient method and the domain decomposition method, depends strongly on the parallel parameters. The purpose of this paper is to evaluate the parallel computing time of the algorithms and optimize the parallel parameters. The parallel computing systems are developed based on these techniques and applied to a large-scale problem with 350000 degrees of freedom using twenty workstations.
Cited by 2Open access
José Manuel Bueno Barrachina, César-S. Cañas-Peñuelas, Saturnino Catalán Izquierdo · RiuNet (Politechnical University of Valencia) · 2011
[EN] In this work we show the influence of the edge-effect on the electric field distribution and, hence, on the inner and outer\ncapacitance in an inclined-plate capacitor system surrounded by an insulating medium taking into account the thickness of the\nconducting plates for a complete set of dimensions and insulating characteristics. Where available, we compare our results with\npreviously published works. Finally, using statistical tools, we obtain approximate expression for computing the relationship between\ncapacitance and insulation material characteristics, insulation gap, plate dimensions and angle.
Cited by 13Open access
Genki YAGAWA, Naoki Soneda, S. Yoshimura · Computers & Structures · 1991
Cited by 62
Minoru Shirazaki, Ryutaro Himeno · Proceedings of thermal engineering conference · 2002
In this paper, numerical simulations of internal and external flows of circular tubes with consideration of heat transfer are performed on a PC-Cluster. To estimate thermal interaction between fluid and solid, both flows of thermal fluid and heat transfer in the tube walls must be considered. To analyze both regions of thermal fluid and solid simultaneously, the velocity in the governing equations is set to zero in the solid region. Almost all processes of the computation are parallelized based on the domain decomposition method, where the message passing interface (MPI) is used as a message-passing library. The flows and heat transfer of two circular tubes in tandem arrangement at a Reynolds number of 120 are analyzed.
Cited by 0Open access
D.J. Riley, Michael F. Pasik, Joseph D. Kotulski et al. · 2003
The application of numerical methods to electrically large, three-dimensional geometries typically requires the use of parallel-processing techniques. The distributed parallelization of the finite-element time-domain-finite-difference time-domain (FETD-FDTD) hybrid is described. An application is provided for antenna radiation on a realistic airframe. The parallelization procedure requires two domain decompositions: one for the structured, finite-difference grid, and the other for the unstructured, finite-element grid. The two grids communicate across the interface shown. The FETD method and the interface to FDTD are described, and the parallelization implementation is presented together with applications.
Cited by 6
A. Karatarakis · DSpace - NTUA (National Technical University of Athens) · 2014
Η αριθμητική προσομοίωση κατασκευών και άλλων φορέων πρέπει να γίνεται με ένα τρόπο που προσφέρει ικανοποιητική ακρίβεια ενώ είναι υπολογιστικά εφικτός. Σε περιπτώσεις πολύπλοκης γεωμετρίας, η ακριβής προσομοίωση του φορέα είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί. Οι σύγχρονες μέθοδοι προσομοίωσης μπορούν να προσφέρουν την επιθυμητή ακρίβεια αλλά πολλές φορές έχουν υψηλό υπολογιστικό κόστος. Για να είναι μια προσομοίωση εφαρμόσιμη σε πραγματικά προβλήματα, θα πρέπει να πραγματοποιείται σε λογικά υπολογιστικά χρονικά πλαίσια. Επομένως, ένας σημαντικός παράγοντας για την εφαρμογή των προσομοιώσεων στην πράξη είναι η αποδοτική υλοποίηση τους, η οποία θα επιτρέψει την εφαρμογή τους σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας. Στις κλασικές μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων (FEA) το μεγαλύτερο κόστος βρίσκεται στην επίλυση των αλγεβρικών εξισώσεων. Σε μη πλεγματικές μεθόδους (MMs) καθώς και στην ισογεωμετρική ανάλυση (IGA), το κόστος για την κατασκευή των χαρακτηριστικών μητρώων (π.χ. μητρώο στιβαρότητας) είναι ιδιαίτερα υψηλό. Επομένως, για να μπορούν αυτές οι μέθοδοι να αξιοποιηθούν σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας, απαιτούνται τεχνικές μαζικής πολυεπεξεργασίας όχι μόνο για την επίλυση αλλά και για τη φάση κατασκευής των χαρακτηριστικών μητρώων, τα οποία απαιτούν αριθμητική ολοκλήρωση. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η επιτάχυνση των υπολογιστικά απαιτητικών φάσεων των μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης με βασικά κριτήρια την αποδοτικότητα και επεκτασιμότητα σε παράλληλο υπολογιστικό περιβάλλον. Για την επίλυση των εξισώσεων, οι μέθοδοι υποφορέων είναι ιδιαίτερα ελκυστικές καθώς χωρίζουν το φορέα σε πολλούς υποφορείς και επιτρέπουν την ταυτόχρονη επίλυσή τους. Όσον αφορά τη φάση κατασκευής των χαρακτηριστικών μητρών, ο υπολογισμός με βάση τα μη μηδενικά στοιχεία του μητρώου επιτρέπει την παράλληλη υλοποίησή τους. Οι αριθμητικές πράξεις που πραγματοποιούνται κατά την εκτέλεση ενός αλγορίθμου πρέπει να γίνονται αποδοτικά. Επομένως, υπολογισμοί όπως πράξεις με μητρώα θέλουν ιδιαίτερη προσοχή. Κάθε τύπος μητρώου είναι κατάλληλος για διαφορετικές λειτουργίες και πρέπει να χρησιμοποιείται κατάλληλα. Όλα τα παραπάνω συνδυάζονται με τις κάρτες γραφικών (GPUs) οι οποίες έχουμε εξαιρετικές δυνατότητες για παράλληλους υπολογισμούς. Σε αυτή τη διατριβή υλοποιούνται κώδικες για κάρτες γραφικών για τη φάση επίλυσης στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων καθώς και τη φάση κατασκευής των χαρακτηριστικών μητρώων στις μη-πλεγματικές και στις ισογεωμετρικές μεθόδους με σκοπό τη σημαντική μείωση του χρόνου εκτέλεσης της προσομοίωσης. Η διατριβή οργανώνεται ως εξής: στο εισαγωγικό κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι στόχοι και το αντικείμενο της διατριβής. Το κεφάλαιο 2 περιγράφει τις τρεις αριθμητικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται, δηλαδή η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων, οι μη-πλεγματικές μέθοδοι καθώς και η μέθοδος ισογεωμετρικής ανάλυσης, ενώ παρουσιάζονται και τα παραδείγματα που θα χρησιμοποιηθούν και χρονομετρηθούν στα επόμενα κεφάλαια. Το κεφάλαιο 3 είναι αφιερωμένο στις μεθόδους υποφορέων. Το κεφάλαιο 4 παρουσιάζει τις κάρτες γραφικών και τα χαρακτηριστικά τους στοιχεία ενώ το κεφάλαιο 5 αναλύει το χειρισμό των μητρώων και τα διάφορα είδη που χρησιμοποιούνται. Το κεφάλαιο 6 περιλαμβάνει την υλοποίηση της μεθόδου υποφορέων FETI σε υβριδικό (CPU-GPU) περιβάλλον. Οι σχέσεις μεταξύ των βασικών οντοτήτων (κόμβοι, σημεία Gauss, σημεία ελέγχου) αναλύονται στο κεφάλαιο 7. Το κεφάλαιο 8 εστιάζει στη μορφοποίηση των χαρακτηριστικών μητρώων των μεθόδων προσομοίωσης. Το κεφάλαιο 9 κλείνει με μια ανακεφαλαίωση αυτής της διατριβής και ακολουθεί παράρτημα με υποστηρικτικό υλικό και βιβλιογραφία.
Cited by 0Open access
Αλέξανδρος Καραταράκης · 2014
Η αριθμητική προσομοίωση κατασκευών και άλλων φορέων πρέπει να γίνεται με ένα τρόπο πουπροσφέρει ικανοποιητική ακρίβεια ενώ είναι υπολογιστικά εφικτός. Σε περιπτώσεις πολύπλοκηςγεωμετρίας, η ακριβής προσομοίωση του φορέα είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα πουαντιμετωπίζουν οι μηχανικοί. Οι σύγχρονες μέθοδοι προσομοίωσης μπορούν να προσφέρουν τηνεπιθυμητή ακρίβεια αλλά πολλές φορές έχουν υψηλό υπολογιστικό κόστος. Για να είναι μιαπροσομοίωση εφαρμόσιμη σε πραγματικά προβλήματα, θα πρέπει να πραγματοποιείται σε λογικάυπολογιστικά χρονικά πλαίσια. Επομένως, ένας σημαντικός παράγοντας για την εφαρμογή τωνπροσομοιώσεων στην πράξη είναι η αποδοτική υλοποίηση τους, η οποία θα επιτρέψει την εφαρμογήτους σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας. Στις κλασικές μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων (FEA) τομεγαλύτερο κόστος βρίσκεται στην επίλυση των αλγεβρικών εξισώσεων. Σε μη πλεγματικές μεθόδους(MMs) καθώς και στην ισογεωμετρική ανάλυση (IGA), το κόστος για την κατασκευή τωνχαρακτηριστικών μητρώων (π.χ. μητρώο στιβαρότητας) είναι ιδιαίτερα υψηλό. Επομένως, για ναμπορούν αυτές οι μέθοδοι να αξιοποιηθούν σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας, απαιτούνται τεχνικέςμαζικής πολυεπεξεργασίας όχι μόνο για την επίλυση αλλά και για τη φάση κατασκευής τωνχαρακτηριστικών μητρώων, τα οποία απαιτούν αριθμητική ολοκλήρωση.Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η επιτάχυνση των υπολογιστικά απαιτητικών φάσεων τωνμεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης με βασικά κριτήρια την αποδοτικότητα και επεκτασιμότητα σεπαράλληλο υπολογιστικό περιβάλλον. Για την επίλυση των εξισώσεων, οι μέθοδοι υποφορέων είναιιδιαίτερα ελκυστικές καθώς χωρίζουν το φορέα σε πολλούς υποφορείς και επιτρέπουν την ταυτόχρονηεπίλυσή τους. Όσον αφορά τη φάση κατασκευής των χαρακτηριστικών μητρών, ο υπολογισμός μεβάση τα μη μηδενικά στοιχεία του μητρώου επιτρέπει την παράλληλη υλοποίησή τους. Οι αριθμητικέςπράξεις που πραγματοποιούνται κατά την εκτέλεση ενός αλγορίθμου πρέπει να γίνονται αποδοτικά.Επομένως, υπολογισμοί όπως πράξεις με μητρώα θέλουν ιδιαίτερη προσοχή. Κάθε τύπος μητρώουείναι κατάλληλος για διαφορετικές λειτουργίες και πρέπει να χρησιμοποιείται κατάλληλα. Όλα ταπαραπάνω συνδυάζονται με τις κάρτες γραφικών (GPUs) οι οποίες έχουμε εξαιρετικές δυνατότητες γιαπαράλληλους υπολογισμούς. Σε αυτή τη διατριβή υλοποιούνται κώδικες για κάρτες γραφικών για τηφάση επίλυσης στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων καθώς και τη φάση κατασκευής τωνχαρακτηριστικών μητρώων στις μη-πλεγματικές και στις ισογεωμετρικές μεθόδους με σκοπό τη
Cited by 0Open access
Yuan-Sen Yang · 2009
The principal objective of this research is to reduce the elapsed time of large-scale nonlinear dynamic structural finite element analysis using parallel computing techniques. The major tasks and contributions of this research are: (a) employing the general sparse matrix technique to reduce the computing time and storage requirements for both sequential and parallel substructure analysis (b) employing state-of-the-art matrix ordering methods to perform substructure matrix ordering to reduce the extra computations of substructure method, (c) proposing an iterative mesh partitioning approach for better load balance of parallel substructure analysis, (d) employing the multi-level substructure method for improving the efficiency of the parallel finite element analyses, and (e) designing and implementing a high-performance finite element environment, called FE2000, for linear or geometric nonlinear, static or implicit dynamic finite element structural analyses. This research
Cited by 0
Tianyuan Liu, Hao Dang, Yonghui Xie · Thermal Science · 2016
Blade is one of the core components of turbine machinery. The reliability of blade is directly related to the normal operation of plant unit. However, with the increase of blade length and flow rate, non-linear effects such as finite deformation must be considered in strength computation to guarantee enough accuracy. Parallel computation is adopted to improve the efficiency of classical nonlinear finite element method and shorten the blade design period. So it is of extraordinary importance for engineering practice. In this paper, the dynamic partial differential equations and the finite element method forms for turbine blades under centrifugal load and flow load are given firstly. Then, according to the characteristics of turbine blade model, the classical method is optimized based on central processing unit + graphics processing unit heterogeneous parallel computation. Finally, the numerical experiment validations are performed. The computation speed of the algorithm proposed in this paper is compared with the speed of ANSYS. For the rectangle plate model with mesh number of 10 k to 4000 k, a maximum speed-up of 4.31 can be obtained. For the real blade-rim model with mesh number of 500 k, the speed-up of 4.54 times can be obtained.
Cited by 0Open access