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金属凝固过程温度场模拟并行软件开发

专 业: 材料加工工程
关键词: 凝固过程 温度场模拟 金属凝固 软件开发 铸造凝固 有限差分法
分类号: TG21  TP311.52
形 态: 共 70 页 约 45,850 个字 约 2.193 M内容
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内容摘要


铸造凝固过程的温度场数值模拟是预测缩孔缩松、气孔、卷砂、热裂、宏观和微观偏析等的基础研究,但是在模拟大型复杂铸件的凝固过程温度场变化时要求很大的计算量,而基于冯.诺伊曼串行机模型上的现有的数值模拟串行算法已很难进一步提高模拟计算速度,所以能进一步提高模拟计算速度的一种有效且实用的方法就是进行基于机群平台的并行编程来计算。

本文采用的并行硬件环境实现是由局域网中的三台不同体系结构的普通PC构成的异构机群平台,每台PC上运行的操作系统是Windows2000 Professional版本,三个节点的配置分别为:1赛扬2.66G CPU、256M内存;2奔四2.00G CPU、256M内存;3奔四1.60G CPU、256M内存。

而并行软件环境是采用应有最广泛的标准化的消息传递并行语言库MPI的最新实现版本MPICH2和Visual C++6.0结合来实现。

由于有限差分法简单实用,被广泛应用于凝固过程数值模拟领域中,因此本文采用有限差分法对计算区域进行三维网格剖分,并构建导热微分方程的差分格式。

为了能把凝固模拟问题很好地映射到己构建的异构机群并行机上,得到并行计算模型并设计良好的并行求解算法,本文采用区域分解法将整个计算数据区域分解为多个子域,每个子域作为一项任务分配给一个节点进行计算求解,并且各个节点的地位相同,代码和功能也基本一致,也就是应用MPI的对等模式进行并行程序设计。

在进行MPI的并行程序设计中,本文还具体讨论了MPI通信模式的选择以及并行文件I/O的访问方式选择。

最后,本文基于所构建的并行环境,分别以不同节点数目和不同网格数目的组合来对一个T形件的凝固过程温度场MPI并行模拟算法进行效率测试。

由测试结果可知,MPI并行化后的模拟计算有效的提高了模拟速度,且在同一计算规模下随着节点数的增多模拟速度相应提高,而随着计算规模的增大,从2个节点到3个节点并行计算的加速比增量也相应增加。

从总体看来,MPI并行编程模拟是提高铸件凝固过程计算机模拟速度的一条有效途径,且从软件业发展趋势和满足用户角度来看也具有较大实用价值..……

全文目录


文摘
英文文摘
1绪论
1.1课题背景和意义
1.1.1问题的提出
1.1.2研究的意义
1.2并行计算的国内外研究状况
1.3铸造过程数值模拟的国内外研究状况
1.4本文研究的目的和研究内容
1.4.1本文研究的目的
1.4.2本文研究的主要内容
2并行计算体系和算法设计
2.1并行计算机体系结构
2.1.1共享存储并行体系
2.1.2分布存储并行体系
2.1.3机群的优越性
2.1.4本文机群平台设计
2.2并行算法设计
2.2.1并行计算模型
2.2.2并行算法设计策略与技术
2.2.3并行算法设计过程
2.2.4本文并行算法设计
2.3并行计算性能评测
2.3.1加速比及效率
2.3.2加速比性能定律
2.3.3可扩放性评测标准—等效指标
2.3.4结论
2.4本章小结
3 MPI并行编程技术
3.1 MPI基本介绍
3.1.1 MPI与PVM的对比
3.1.2 MPI的基本调用
3.1.3 MPI程序的总体结构
3.1.4目前主要的MPI实现
3.2 MPI通信方式
3.2.1 MPI点到点通信
3.2.2 MPI组通信
3.2.3通信方式选择
3.3 MPI简单程序运行
3.3.1 C+MPI实现的Hello World
3.3.2程序的执行流程
3.3.3程序的执行结果
3.4本章小结
4金属凝固温度场模拟数值方程建立
4.1凝固过程传热学基础
4.1.1传热基本方式及导热微方程建立
4.1.2热传导偏微方程建立
4.1.3初始条件及边界条件处理
4.1.4潜热的处理
4.2数值计算方法的选取
4.3导热方程的差分方法
4.3.1差分方程的建立
4.3.2差分方程稳定性条件
4.4本章小结
5温度场数值模拟的MPI并行软件开发
5.1并行软件开发技术路线
5.2模拟件三维网格的剖分
5.2.1基于STL的切片法剖分原理
5.2.2网格剖分程序介绍
5.3并行环境构建
5.3.1并行体系结构构建
5.3.2并行编程语言环境实现
5.4温度场模拟MPI并行编程
5.4.1数据域分解并行算法设计
5.4.2 MPI通信模式选择
5.4.3并行文件I/O的访问方式选择
5.5温度场并行模拟的具体测试及模拟结果显示
5.6本章小结
6结论与展望
6.1 主要结论
6.2后续研究工作展望
参考文献
附 录

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中图分类: > TG21 > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 铸造理论
其他分类: > TP311.52 > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机软件 > 程序设计、软件工程

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