结构动力学并行计算方法及应用
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作者： 金先龙，李渊印著
出 版 社： 国防工业出版社
出版时间： 2008-1-1字数： 368000版次： 1页数： 248印刷时间： 2008/01/01开本： 16开印次： 1纸张： 胶版纸I S B N ： 9787118055504包装： 精装编辑推荐
本书内容共包括9章。第1章是绪论，主要介绍了并行计算机的发展现状和并行算法设计的基础知识；第2、第3和第4章分别介绍了结构动力学并行计算的理论基础、软件设计方法和系统集成方法；第5、第6和第7章介绍了结构动力学并行计算的三类主要方法：隐式并行计算方法、显式并行计算方法和精细积分并行计算方法；第8和第9章分布介绍了并行计算技术在土木工程和机械工程中的典型应用实例。本书可供从事计算数学、计算力学、并行计算、高性能计算、计算机仿真、计算机辅助工程、机械结构设计、建筑结构设计等领域的研究与应用技术人员参考。
内容简介
本书系统介绍了结构动力学并行计算的理论方法、关键技术、软件系统和应用实例。主要内容包括并行计算机的发展现状和并行算法设计的基础知识，结构动力学并行计算的理论基础、软件设计方法和系统集成方法，结构动力学并行计算的三类主要方法(隐式并行计算方法、显式并行计算方法和精细积分并行计算方法)以及在土木工程和机械工程中的典型应用实例。
本书体系完整、内容丰富、取材新颖。可供从事计算数学、计算力学、并行计算、高性能计算、计算机仿真、计算机辅助工程、机械结构设计、建筑结构设计等领域研究与应用的技术人员参考。
作者简介
金先龙，男，博士，1961年8月出生。现任上海交通大学机械与动力工程学院、上海交通大学机械系统及振动国家重点实验室教授、博士生导师，上海交通大学高性能计算中心主任，上海超级计算中心上海交通大学分中心主任，全国专用汽车技术标准专业委员会副主任，全国计算机学会高性能计算专业委员会理事，上海市道路交通安全协会常务理事，上海市道路交通事故预防咨询专家等。
金先龙教授长期致力于利用计算数学、计算力学的最新理论，计算机科学与工程的最新技术，解决工程实际问题。在理论上，主要研究非线性结构动力学、流固耦合系统动力学的数值计算方法。在技术上，主要研究并行计算、网格计算和分布计算等高性能计算技术。在应用上，主要集中在解决交通运输、现代工业、重大工程、国防装备等领域的复杂结构动力学问题。
1985年至今，金先龙教授以第一作者和第二作者（第一作者是其指导的研究生）共发表学术论文120余篇，其中，SCI收录l3篇，EI收录80余篇。撰写了学术专著《交通事故数字化重构理论与实践》，参加编写了《汽车工程手册（设计篇）》、《专用汽车设计》、《专用汽车构造》、《国外专用汽车新技术》等专业书和教材。
2000年至今，金先龙教授作为项目负责人和主要参加者先后承担了近20项国家和上海市的科研项目。其中包括：国家自然基金重点项目1项、国家自然基金面上项目2项、国家863计划课题4项、国家教育部博士点基金项目1项、国家科技部社会共益项目1项、上海市科委攻关项目3项、上海市信息委信息化专项6项等。有6项成果通过了上海市科委的鉴定，达到了国际先进水平。申请发明专利（已公开）10项，获得计算机软件著作权8项。
2005年，金先龙教授作为第一完成人的科研成果“基于超级计算机的结构动力学并行算法设计、软件开发与工程应用”获得了上海市科学技术进步奖一等奖。
目录
第1章 绪论
1.1 结构动力学并行计算的目的与意义
1.2 并行计算机与并行软件的发展现状
1.2.1 并行计算机的发展现状
1.2.2 并行软件开发环境的发展现状
1.2.3 并行计算程序库的发展现状
1.2.4 并行计算有限元软件的发展现状
1.3并行算法设计的基础知识
1.3.1并行算法的评估标准
1.3.2并行算法的设计流程
1.4本书内容安排
第2章结构动力学并行计算的理论基础
2.1稀疏矩阵理论
2.1.1稀疏矩阵的存储形式
2.1.2稀疏矩阵结构的图表示
2.1.3稀疏矩阵的分块技术
2.1.4稀疏矩阵的排序
2.2线性方程组的计算方法
2.2.1直接求解法
2.2.2迭代求解法
2.3特征值问题的计算方法
2.3.1 Lanczos过程
2.3.2 Lanczos算法
2.3.3 隐式重启动Arnoldi（Lanczos）方法
第3章结构动力学并行计算的程序设计方法
3.1数学计算的并行程序库
3.1.1 线性方程组直接求解法的并行程序库
3.1.2线性方程组迭代求解法的并行程序库
3.1.3特征值问题求解的并行程序库
3.2 结构动力学的并行计算程序
3.2.1结构静力分析的并行计算程序
3.2.2结构模态分析的并行计算程序
3.2.3结构屈曲分析的并行计算程序
3.3计算实例
3.3.1结构静力分析的计算实例
3.3.2结构模态分析的计算实例
3.3.3结构屈曲分析的计算实例
第4章结构动力学并行计算的系统集成方法
4.1求解器软件集成方法
4.1.1 Nastran二次开发
4.1.2 DMAP的结构和功能
4.1.3方程组的自由度
4.1.4建立新的求解序列
4.2前后处理器软件集成方法
4.2.1 Patran二次开发
4.2.2 PCL的结构与功能
4.3应用实例
4.3.1 项目背景与总体思路
4.3.2 求解器集成软件
4.3.3 前后处理器集成软件
第5章 结构动力学的隐式并行计算方法
5.1 隐式计算的基本原理
5.1.1 中心差分法隐式格式
5.1.2 Newmark法
5.2 隐式计算的并行方法
5.2.1 并行排序
5.2.2 并行数值分解
5.2.3 并行符号分解
5.2.4 并行求解三角方程
5.3 隐式计算的并行程序
5.4 计算实例
5.4.1 计算模型
5.4.2 并行加速比
第6章 结构动力学的显式并行计算方法
6.1 显式计算的基本原理
6.1.1 显式计算的控制方程
6.1.2 显式计算的递推方程
6.1.3显式计算的关键问题
6.2显式计算的并行方法
6.2.1区域分割方法
6.2.2临界子区域数的确定
6.2.3接触均衡的区域分割方法
6.3计算实例
6.3.1 空心管碰撞过程的数值模拟
6.3.2汽车碰撞过程的数值模拟
第7章结构动力学的精细积分并行计算方法
7.1精细积分法的基本原理
7.1.1结构动力方程的积分变换
7.1.2指数矩阵的精细计算
7.1.3积分方程的多种求解格式
7.1.4精细积分法的误差
7.1.5精细积分法的稳定性
7.1.6精细积分法的参数选择
7.1.7指数矩阵的自适应算法
7.2精细积分法的并行计算
7.2.1 Fourier展开格式的并行计算
7.2.2直接积分和级数解格式的并行计算
7.2.3细粒度并行算法
7.3计算实例
7.3.1 Fourier级数格式的并行计算实例
7.3.2 直接积分格式的并行计算实例
7.3.3级数解格式的并行计算实例
7.3.4 精细积分法的细粒度并行计算实例
第8章并行计算在土木工程中的典型应用
8.1海岛码头工程场地地震反应的数值模拟
8.1.1 项目背景
8.1.2工程场地三维实体建模
8.1.3工程场地三维有限元建模
8.1.4边界条件和基岩输入
8.1.5数值模拟结果及分析
8.2沉管隧道结构抗震性能的数值模拟
8.2.1项目背景
8.2.2沉管隧道三维实体建模
8.2.3沉管隧道三维有限元建模
8.2.4材料特性的选择
8.2.5数值模拟结果及分析
第9章并行计算在机械工程中的典型应用
9.1汽车碰撞安全性的数值模拟
9.1.1 项目背景
9.1.2汽车三维有限元建模
9.1.3 汽车正面碰撞的数值模拟
9.1.4汽车碰撞事故再现
9.2柔性储液容器流固耦合的数值模拟
9.2.1项目背景
9.2.2流固耦合数值模拟的理论基础
9.2.3流固耦合数值模拟的典型应用
参考文献
书摘插图
第1章绪论
1.1 结构动力学并行计算的目的与意义
动力学问题在国民经济和科学技术的发展中有着广泛的应用，最经常遇到的是结构动力学问题，它有两类研究对象。一类是在运动状态下工作的机械或结构，例如高速运行的车辆、飞行器等，它们承受着本身惯性及与周围介质或结构相互作用的动力载荷；另一类是承受动力载荷作用的工程结构，例如建于地面的高层建筑和厂房，石化厂的反应塔和管道，它们可能承受强风、水流、地震以及波浪等各种动力载荷的作用。这些结构的破裂、倾覆和垮塌等事故的发生，将给人民的生命财产造成巨大的损失。
结构动力学的研究内容主要有两个方面，一是结构的动力响应问题；二是模态分析问题。前者分析结构的动力响应特性，以计算结构振动时的动应力和动位移的大小及其变化规律：后者寻求结构的固有频率和主振型，从而了解结构固有的振动特性，以便更好地利用或减小振动。
有限元方法作为工程数值分析的一种有力工具，广泛应用于航天、航空、造船、机械、水利、建筑以及石油化工等部门。传统上，有限元分析的算法研究都是建立在串行计算机的基础上，将多维的计算模型设法映射到一维结构，把问题的空间复杂性转化为时间的复杂性，然后又在算法级、程序级和指令级研究提高计算效率和节省存储的策略和方法，获得了许多精湛算法，开发了一大批优秀的应用软件。
随着科学研究和工程技术的不断发展，出现了诸如航天飞机、空间站、海洋石油钻井平台等大型或超大型的复杂结构，它们不但自由度高，而且还含有非线性、随机载荷和复杂的边界条件等多种因素。因此，对这些结构的分析需要借助高阶有限元模型并要进行大量计算。另外，在科学研究领域中，由于一些细观和微观结构分析的提出，大型和超大型的计算是不可避免的。这些问题由于计算规模巨大，求解复杂，在传统的串行机上无法得到满意的解答。提高计算机计算速度的一个途径是提高器件本身的速度，但目前器件的速度已接近其极限值了；另一个途径是改变计算机系统结构，变串行处理为并行处理，从理论上讲，其速度的提高是无止境的。利用并行计算机研究和开发相应的并行算法有可能解决串行机无法解决的存储量、计算时间和效率等多方面的问题。并行计算机的出现和发展使得计算结构动力学的发展进入一个新的阶段，围绕着基于变分原理的有限元法和基于边界积分方程的边界元法，以及各种并行计算机，逐渐形成了一个新的学科分支——并行计算结构力学，其发展速度十分惊人。
……
