有限元结构分析并行计算发展现状

有限元素法是结构力学中应用较广泛的一种有效的计算方法。70年代初并行算法和并行计算机的问世,自然而然地导致了有限元结构分析并行计算的兴起。用“方兴未艾”一词来描写这一研究领域的发展现状,是再恰当不过了。     

大数据并行计算框架

大数据是当前IT信息技术研究和应用的热点,但目前的研究多集中在系统和应用层面,而理论基础研究方面相对较少.本文以计算复杂性理论为基础,针对大数据量大、快速和多样性等挑战,着重研究大数据的可计算性及其计算原理.首先将多种类型的大数据抽象到度量空间进行统一化表示以解决多样性问题,其次在度量空间中基于距离对大数据进行划分,最后运用NC类计算理论等并行计算理论和方法对大数据问题进行并行求解,以解决量大和快速等问题.本文从更广的视角,根据大数据的特性和大数据整个生命周期,提出处理大数据的策略和技术以及需要变革思维方法研究大数据.     

金属离子水解时多核络合形成曲线的线性特性

虽然有了一些分析与计算多核络合物稳定常数的方法,但研究溶液中多核络合物的形成及其稳定性仍是一个复杂的问题。在本工作中我们将考察金属离子水解时的多核络合形成曲线的线性特性,它也是与溶液中实际形成的多核络合体系的稳定性密切相关的。设在溶液中存在配位体A与金属离子B,它们形成单核与多核络合物A_pB_q(为书写方便     

东海黑潮主段G-PN断面的多核结构

东海黑潮流速剖面速度分布是黑潮研究中的基本问题. 本文基于1955~2001年东海G-PN断面水文资料, 在合理数据预处理的基础上, 采用动力高度法计算了垂直于断面方向的流速分布. 通过对计算结果的归纳分析, 详细给出了东海黑潮主段典型的流况分布形式, 以及多核结构的尺度估计、特征分析和流核位置时空变化, 以进一步研究东海黑潮的变异. 主要结果表明, (1) 东海黑潮流轴段存在单核、双核、三核或更多核结构等基本流形态. (2) 东海黑潮流结构有较显著的时间变化. (3) 流结构和季节紧密相关, 流核数在秋季偏多, 且多核结构多出现在秋季.     

Ajax技术在Web开发中的应用

相对于传统的Web应用,Ajax技术丰富了客户端的表现能力,极大地改善了用户体验,其原因在于Ajax技术实现了客户端与服务器间的数据通信,并提供了两者间异步通信的能力,从而降低了网络传输的数据量,均衡客户端与服务器阔负载.文章介绍了Ajax技术的起源与发展、Ajax的工作原理,重点提出了如何利用Ajax设计思路编写程序.     

Remote temperature acquisition system based on the AVRX operating system design

在测量仪表的软件系统中,经常会遇到上位机被动通信命令不被及时响应的问题.此种问题是由于单线程的软件结构每次只能执行一个任务,而各个任务的配套硬件执行过程中需要的等待时间不一,从而不能对硬件进行有效管理,不能对各个任务进行及时调度而致.AVRX是一个汇编语言写的实时性的微内核,运行在AVR单片机上,能很好地解决这个矛盾.     

神经形态器件研究进展与未来趋势

大数据时代的信息爆炸、摩尔定律的逐渐减缓和"万物互联"的最终愿景使得发展高性能的非传统计算迫在眉睫. 21世纪以来,神经形态计算以高度的并行、极低的功耗和存算一体的特征受到了广泛的关注.其中,具有独特物理机制的神经形态器件是神经形态计算硬件的基本组成单元,对新型非冯·诺依曼架构芯片的研发乃至类脑智能的最终实现都具有重要意义.本文重点介绍了神经形态器件的研究进展和未来研发的趋势.研究低功耗的神经形态器件与集成方法,提高突触器件的线性度、对称性和开关比以及从动力学角度模拟生物启发的神经系统是该领域的研究热点.     

基于线性自组装的DNA减法模运算

使用线性自组装方法, 提出了两个非负二进制整数减法模运算的DNA算法. 对于两个表示为n位的二进制数A与B, 算法给出A-B在模2n情况下的运算结果. 算法中包含反应被减数与减数大小关系的扩展借位信息, 从而在计算前不必对A与B的大小关系进行预分类. 结果反应链中包含运算结果、每一步借位信息、参与运算的数值、判断被减数与减数大小的标志位等信息. 算法充分利用DNA反应的并行特性, 在给定两个被减数集与减数集时, 可进行两个集合的减法模运算的并行计算. 算法的可行性基于已知的DNA算法实验. 算法具有良好的自发反应特性, 避免了人工操作随运算数值位数增长的情况, 对于计算位数n, 在本算法中参与反应的单链库规模为O(n), 生物操作复杂度为常数.     

脑白质网络构建方案对拓扑属性个体差异的影响

为了深入研究构建方案对脑网络拓扑属性个体差异的影响,本文利用80名健康成年被试的弥散张量数据,采用2种节点定义方法、4种确定性纤维追踪算法和4种边的权重定义方法来构建脑白质网络.应用图论和层级聚类的分析方法,系统地评价了32种网络构建方案对个体差异的影响.具体研究的拓扑参数包括网络的全局效率、局部效率以及节点效率.结果发现:(1)基于相同分辨率构建的网络趋向于具有相对一致的节点效率的个体差异;(2)纤维追踪算法对全局效率和局部效率的个体差异影响较小,但在相同的节点分辨率下,基于相同的纤维追踪算法所构建的网络其节点效率的个体差异趋向于一致;(3)采用相同边的权重所构建的网络在全局效率和局部效率方面展现出了相对一致的个体差异.综上可见,网络构建方案在反映个体间差异层面的异同依赖于网络属性.以上这些研究结果为跨研究之间的比较分析提供了有价值的方法学参考依据.     

一种全共享低交换并行高分辨太阳图像重建方法

高分辨图像重建在太阳物理研究中具有重要地位,但长期面临着观测数据量巨大,重建速度慢等难题,严重影响了太阳高分辨观测的开展.本文针对我国新一代太阳观测望远镜如一米新真空太阳望远镜(new vacuum solar telescope,NVST)、光学和近红外太阳爆发监测望远镜(optical and near-infrared solar eruption tracer,ONSET)的需求,通过实测方式细致分析了重谱法各模块的计算耗时,明确了数据交换性能是影响重建性能的关键瓶颈.在此分析基础上,提出了一种通用的全共享低交换并行高分辨图像重建方法.此方法基于消息传递接口技术(message passing interface,MPI)和共享内存机制,通过算法优化使重建计算进程完全利用共享内存来高速读写数据,显著减少进程间数据交换数量,降低通信开销.实验结果表明,本方法大幅度提高了重谱法和Knox-thompson法的重建性能,在单台16核PC服务器上,重建100帧ONSET 1660×1660像素大小图像和100帧NVST 1024×1024像素大小图像分别仅需约12.4和5.6 s,基本实现了实时高分辨重建的要求,为后续科学研究打下了坚实的基础.     

基于高通量计算的反渗透淡化三维传递MLP模型构建

全球淡水资源日趋紧张.反渗透(reverse osmosis, RO)是目前最先进的淡化技术之一,占据了50%以上淡化市场.高性能RO膜可显著提高产水效率,但其高通量的特性也导致了严重的浓差极化与膜污染等共性难题,严重制约其进一步广泛应用.因此,在传统膜组件迭代设计方法的基础上,开发更高效的优化设计方法,可加速高性能RO膜的商业化,极具研究意义.本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)和深度学习方法,结合超级计算,构建了多工况下基于高性能RO膜的海水淡化复杂进水通道的高维非线性传递模型:建立了RO膜组件进水通道中流体流动与盐组分传递的“多物理场全耦合高保真三维模型”;基于商业进水隔网在设计参数空间范围内进行类拉丁超立方抽样,生成726组不同工况CFD模型,并行计算规模可达2万核以上;基于数据驱动的深度学习方法,建立代理传递模型,可预测整个设计参数空间内大规模参数组合工况模型的三维局部速度、压力以及浓度分布,通过计算相对均方根误差,得到预测精度分别为93.5%、98.3%和95.1%,计算效率相比传统有限元方法提高了1～2个数量级.本文提...     

声学计算超材料

尽管数字信号处理器已广泛用于执行复杂计算任务,但仍存在诸多不足,譬如模-数转换器成本高昂、运算复杂度高、低速和高功耗等.出于这个原因,最近人们对基于波的模拟计算产生了浓厚的兴趣.这种计算避免了模-数转换并可以执行大规模并行运算,特别是借助人工设计的超材料,一些对声波进行模拟计算的新方案陆续被提出.这种被称为计算超材料的计算系统,其计算速度可以与波速一样快,尺寸与波长一样小,可以对传入的波包进行复杂的数学运算,甚至可以执行积分、微分方程的计算.这些功能有望实现基于声波传播的新一代超快速、紧凑和高效的计算硬件.本文讨论了声波计算超材料领域的最新进展,调研了用于执行模拟计算的最新的超结构.接着,进一步介绍了声波计算超材料的应用,包括图像处理、边缘检测、方程求解和机器学习.最后,对研究的关键问题和未来可能的方向进行了展望.     

型谱化高流强质子回旋加速器自主研发及创新应用

回旋加速器是开展核装备研制、核科学和生命科学等前沿研究,以及核技术创新应用的关键科学手段和不可或缺的研究平台.强流回旋加速器研究团队研发了高流强紧凑型回旋加速器,创建了径向调变磁场梯度强聚焦理论,研发了多束团强流束流动力学并行计算算法和软件,突破了紧凑型回旋加速器的极限能量、显著提升了空间电荷制约下的束流强度;独创了奇偶三角形单元垫补函数的等时场和非理想谐波场垫补方法,有效提高了轴向聚焦力,解决了磁铁工程难题;突破了“馈管-腔体”耦合振荡抑制、动态负载变化均衡等关键技术,实现了长期稳定运行.团队自主研制了十余台不同能量强流回旋加速器,其流强、注入和引出效率等主要性能指标处于国际同类装置前列,在中国原子能科学研究院、中国科学院国家空间科学中心、国防科技工业抗辐照应用技术创新中心、北京大学等单位的相关研究项目中做出了重要贡献,为近百个单位常年供束开展空间科学、生命科学与核科学技术的研究,应用领域广泛.     

耦合Nvidia/AMD两类GPU的格子玻尔兹曼模拟

利用图形处理单元(graphic processing unit, GPU)进行通用计算近年来得到关注, Nvidia和AMD公司已推出了各自的开发环境CUDA和ASC. 很多计算在GPU上的速度远高于目前的CPU. 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)作为一种网格上的粒子方法, 对流动模拟具有良好的内在并行性, 非常适合利用GPU进行大规模并行计算. 本文提出了一种耦合Nvidia和AMD的两类GPU完成LBM凹槽流模拟的算法, 对于两类GPU, 在LBM的D2Q9模型下分别设计了相应的算法和程序, 之后利用消息传递接口(message passing interface, MPI)协议通过多程序多数据流(multi-program multi-data, MPMD)模式使其能够联合计算, 以充分发挥混合GPU集群系统的性能. 通过GPU和CPU程序结果的比较, 证实了GPU计算的正确性和所能带来的显著的加速比, 为建设通用大规模GPU并行计算平台提供了重要参考.     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

颗粒凝并动力学MonteCarlo方法的高效GPU并行计算

Monte Carlo(MC)方法作为一种求解颗粒群平衡方程(PBE)的有效方法(PBMC),由于它对多维问题的适应性、符合实际颗粒动力学特征的离散和随机本质、程序结构相对简单、易于编程实现等优点受到人们持久、普遍的关注.但在涉及到颗粒凝并问题时,常规的PBMC方法计算代价较高,与模拟颗粒数目的平方成正比,限制了其工程应用.并行计算技术的快速发展,特别是近年来NVIDIA公司提出的计算统一设备架构(CUDA)为PBMC的快速高效模拟提供了一个良好的平台.本文在CUDA平台上实现了颗粒凝并动力学PBMC的图形处理器(GPU)并行计算(分别实现了累计概率法和接受-拒绝法选择凝并对)及中央处理器(CPU)的协同处理,与目前广泛运行于CPU的串行计算相比,取得了精确的计算结果和非常明显的加速,计算代价仅与颗粒数目成正比,在当前主流GPU/CPU设备上能够达到上百倍的加速比.     

单面弹性固体层负载的板中SH波的时频分析

利用时频分析方法分析一侧附有弹性固体负载层的各向同性板中水平剪切波(SH波)的传播特性. 为验证该方法的有效性, 采用基于短时傅立叶变换的时频重排方法对有限元仿真出来的SH波信号进行了分析. 提取出来的频散数据与频散方程分析的结果相符. 结果表明, 负载层厚度的增加会引起SH0模式群速度和高阶模式截止频率的降低, 从而可应用于负载层特性的传感. 文中也讨论了该方法的局限性.     

基于金相图片输入的功能梯度板件力学分析

建议一种细观元方法, 将材料金相图片信息替代传统力学分析的材料参数输入, 来进行力学行为分析, 完成材料细观结构与构件宏观响应间跨尺度分析. 细观元法在结构的常规有限元内部设置密集细观单元以反映材料细观构造, 又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度, 再上机计算. 此方法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析, 而计算单元与自由度又等同一般常规有限元, 为解决具有细观结构新材料与构件跨尺度分析提供一种新的有力工具. 直接从材料金相图片提供的复杂细观结构图形出发计算功能梯度板件力学响应, 给出了宏观力学量三维分布形态以及细观骨架上等应力线走向图.     

广义本征值并行计算及在晶体能带中的应用

本文提出一个利用“黑匣子”思想并行求解高阶广义矩阵本征问题的分块消去迭代算法,并在国家智能计算机研究开发中心研制的大规模并行计算机曙光1000上成功地解算了非线性光学晶体电子结构计算中的1572阶复共轭对称矩阵偶的广义矩阵本征问题,应用于中国科学院福建物质结构研究所陈创天等人发现的LBO非线性光学晶体电子结构分析,使用能带方法完成了该晶体电子态的自治计算.我们对新算法进行了迭代过程收敛性、误差分析、并行设计、并行效率的分析研究与数值实验.     

Control amplifier design based on the proportion of field programmable gate array

文章主要介绍了一种基于现场可编程门阵列的比例控制放大器的设计方法.根据设计要求,硬件分为模拟量输入调理子系统、A/D转换子系统、FPGA子系统、功率放大子系统、反馈子系统等.软件通过模块划分,主要分为顶层控制模块、数据包模块、斜坡信号模块、PID模块、串口通信模块,并且利用硬件描述语言来加以实现.本文所使用的软件开发环境为Altera公司的Quartus Ⅱ以及相应的开发工具.