文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
多体系统动力学并行计算的研究
姓名:常忠正
申请学位级别:硕士
专业:计算多体系统动力学
指导教师:洪嘉振
20050501
摘要
多体系统动力学并行计算的研究
摘要
当前许多多体系统动力学仿真软件的数值仿真效果比较好,在工程界有着
广泛的应用。但是它们绝大多数是串行的,仿真计算的速度比较慢。随着工程结
构的复杂化和多体系统参数优化的广泛需求,较慢的计算速度逐渐成为多体系统
动力学计算的瓶颈。这就要求我们在保证数值仿真效果的同时,寻求速度较快的
并行算法来满足实际工程中仿真计算的需要。
有些多体系统动力学建模方法,如多刚体系统动力学的拉格朗日方法和笛
卡尔方法,其计算模型本身并没有并行特征,这样针对它们的并行算法只能停留
在对数值求解方法的并行上。
单向递推组集建模方法充分考虑了系统拓扑分析的递推与并行特征,因此
可以对其计算模型进行并行。CADAMB 是上海交通大学工程力学系开发的基于
单向递推组集建模方法的柔性多体系统动力学通用仿真软件,已成功应用于工程
计算中。本文将并行计算引入其中,研究了单向递推组集建模方法右函数生成、
线性方程组求解和刚性常微分方程求解的并行算法。
本文选择 MPI 作为研究的并行计算环境,因为它是目前事实上的工业标准。
由于上海交通大学高性能计算中心的 SGI-Onyx3800 并行计算机能够提供 MPI
的环境和方便的计算条件,本文使用该计算机上进行并行计算。
在动力学方程的右函数生成过程中,各物体的运动学参数及对广义质量阵和
广义力阵的贡献都只与它的内接物体参数有关,因此可以以通路为对象划分计算
任务对其并行。结果显示,该方法在适当的拓扑下可以达到以上的部分加速
比。
在对右函数生成进行并行时,我们发现在模型逐渐复杂的情况下,右函数生
成过程中线性方程组的求解会花费很长时间。针对这种情况,本文提出了线性方
程组求解的并行算法,该算法在方程维数比较高时效果比较好。
通过引入并改进并行 ROSENBROCK 方法求解刚性常微分方程,本文实现了
对常微分方程求解的并行,该方法能够很好的解决刚性问题,并有二级三阶和三
i
摘要
级四阶两种方法。二级三阶方法在使用 2 个 CPU 的情况下能够达到的加速
比;三级四阶方法在使用 3 个 CPU 的情况下能够达到的加速比。
本文最后提出了对闭环问题的处理,同时结合作者在研究中的体会,对多体
系统动力学并行计算中存在的一些问题和可能的研究方向作了分析。

关键词:柔性多体系统动力学;单向递推组集建模方法;并行计算;右函数;常
微分方程;动力学仿真
ii
ABSTRACT
puting in Multibody Dynamics
ABSTRACT
At present, Multibody-Dynamics software has been widely used in engineering
simulation and can get very good results. But most of them are based on serial
computing and the speed is very slow. With the increasing plexion of structure
and the requirement of Multibody-Dynamics optimization, the poor speed is
ing a bottleneck for Multibody Dynamics. So it’s necessary for us to develop
parallel algorithm to enhance the speed and ensure the accuracy of simulation at the
same time.
putation models in Multibody Dynamics, like Lagrange method and
Cartesian method, don’t have the feature of parallelism. And the parallel algorithm of
these methods can only stay on the parallel solution of ODE (Ordinary Differential
Equation).
Forward Recursive Me