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PeriPy–一个高性能的周动力软件包。 (英语) Zbl 1507.74052号

摘要:本文提出了一个轻量级、开源和高性能的python包,用于解决固体力学中的周动力学问题。该求解器的开发是出于对快速分析工具的需求,以实现'外循环'应用,包括敏感性分析、不确定性量化和优化。我们的python软件工具箱利用了开放运算语言以便可以在任何具有CPU或GPU内核的平台上执行。我们通过一系列具有工业动机的示例来说明软件包的使用,这些示例应该能够使其他研究人员在自己的应用程序中构建和扩展求解器。介绍了在执行速度和功能方面相对于现有技术的逐步改进。此解算器与现有解算器之间的比较开放运算语言文中给出了实现,并在数十万到几千万节点的基准上进行了测试。我们在NVIDIA的GeForce RTX 2080 TiGPU上演示了解算器的可扩展性,并分析了内存限制。在所有测试用例中,该实现比文献中类似的现有GPU实现快1.4到10.0倍。特别是,这一改进是通过利用GPU上的本地内存实现的。

MSC公司:

74A70型 周边动力学
74-04 可变形固体力学相关问题的软件、源代码等
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参考文献:

[1] Silling,S.A.,《不连续性和长程力弹性理论的改革》,J.Mech。物理。固体,48,1175-209(2000)·Zbl 0970.74030号
[2] 贾维利,A。;莫拉萨塔,R。;Oterkus,E。;Oterkus,S.,《动力学评论》,数学。机械。固体,24,11,3714-3739(2019)·Zbl 07273389号
[3] Diehl,P。;Prudhomme,S。;Lévesque,M.,《验证周动力学模型的基准实验综述》,J.Peridyn。非本地模型。,1, 1, 14-35 (2019)
[4] Silling,S.A。;埃普顿,M。;O.威克纳。;徐,J。;Askari,E.,《周动力状态和本构建模》,J.Elasticity,88,2,151-184(2007)·Zbl 1120.74003号
[5] Diehl,P。;Franzelin,F。;Pflüger,D。;Ganzenmüller,G.C.,《基于键的周动力学:I型裂纹张开的定量研究》,《国际分形杂志》。,201, 2, 157-170 (2016)
[6] Franzelin,F。;Diehl,P。;Pflüger,D。;不,I.P。;Franzelin,F。;Diehl,P。;Pflüger,D。;Franzelin,F。;Diehl,P。;Pflüger,D.,多元周动力模拟用稀疏网格的非侵入不确定性量化(2014)·Zbl 1343.74047号
[7] Sohouli,A。;Kefal,A。;阿卜杜勒哈米德,A。;Yildiz,M。;Suleman,A.,《使用周动力学对裂纹结构进行基于密度的连续拓扑优化》,《结构》。多磁盘。最佳。,62, 5, 2375-2389 (2020)
[8] Kefal,A。;Sohouli,A。;Oterkus,E。;Yildiz,M。;Suleman,A.,使用周动力学对裂纹结构进行拓扑优化,Contin。机械。热电偶。,21, 6, 1645-1672 (2019)
[9] Bobaru,F。;Ha,Y.D.,2D周动力学中的自适应精化和多尺度建模,J.多尺度计算。工程,9635-659(2011)
[10] Ren,H。;庄,X。;蔡,Y。;Rabczuk,T.,《双地平线周动力学》,国际。J.数字。方法工程师,108,121451-1476(2016),网址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/nme.5257。arXiv:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/nme.5257
[11] 胡,Y。;陈,H。;斯宾塞,B.W。;Madenci,E.,不规则非均匀区域离散化的热机械循环动力学分析,《工程分形》。机械。,197, 92-113 (2018)
[12] Bobaru,F。;杨,M。;阿尔维斯,L.F。;Silling,S.A。;Askari,E。;Xu,J.,《一维周动力学中的收敛、自适应细化和缩放》,国际。J.数字。方法工程,77,6,852-877(2009)·兹比尔1156.74399
[13] Dipasquale,D。;扎卡里奥托,M。;Galvanetto,U.,《2D周动力学中自适应网格细化的裂纹扩展》,国际分形杂志。,190, 1-2, 1-22 (2014)
[14] 顾,X。;张,Q。;Xia,X.,基于Voronoi的自适应细化的周动力学和裂纹分析,国际。J.数字。方法工程,112,13,2087-2109(2017)
[15] 刘伟。;Hong,J.-W.,离散化周动力与有限元方法的耦合方法,计算。方法应用。机械。工程,245-246,163-175(2012)·Zbl 1354.74284号
[16] 美国加尔瓦内托。;Mudric,T。;Shojaei,A。;Zacariotto,M.,《耦合有限元网格和周动力网格以解决静态平衡问题的有效方法》,Mech。Res.Commun.公司。,76, 41-47 (2016)
[17] Silling,S.A.,《使用无网格周动力代码进行动态断裂建模》(Bathe,K.J.,《麻省理工学院第二届流体与固体力学会议论文集》(2003),Elsevier),641-644
[18] 帕克斯,M。;Lehoucq,R.B。;Plimpton,S.J。;Silling,S.A.,在分子动力学代码中实现周动力学,计算。物理。Comm.,179、11、777-783(2008)·Zbl 1197.82014年
[19] 帕克斯,M。;Littlewood,D。;Mitchell,J.A。;Silling,S.,Peridigm用户指南技术报告SAND2012-7800(2012),桑迪亚国家实验室:新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国立实验室
[20] Breitenfeld,M.,《三维断裂建模的准静态非常规状态周边动力学》(2014),伊利诺伊大学香槟分校,(博士论文)
[21] Rädel,M.,Peridigm安装指南(2019年),DLR德国航空航天中心,复合材料结构和自适应系统,结构力学:DLR德国宇航中心,复合结构和自适应体系,布伦瑞克结构力学
[22] Kilic,B.,均质和非均质材料渐进失效预测的周动力理论(2008),亚利桑那大学(博士论文)
[23] 风扇,H。;Li,S.,使用openmp对爆炸引起的土壤碎裂进行并行周动力学-SPH模拟,计算。第部分。机械。,4, 2, 199-211 (2017)
[24] Lee,J。;哦,S.E。;Hong,J.-W.,《与有限元方法耦合的周动力学代码并行编程》,国际分形杂志。,203, 1, 99-114 (2017)
[25] 达拉·巴巴,F。;坎帕格纳里,P。;扎卡里奥托,M。;美国加尔瓦内托。;Picano,F.,基于周动力学和Navier-Stokes方程的流体-结构相互作用模型,用于水力压裂问题,(第六届欧洲计算力学会议(ECCM 6),第七届欧洲计算流体动力学会议(ECFD 7)(2018))
[26] Ha,Y.D.,夹层玻璃结构高速冲击断裂的周动力理论中的扩展鬼夹层模型,计算。数学。申请。,80, 5, 744-761 (2020) ·兹比尔1441.74224
[27] Diehl,P。;Jha,P.K。;Kaiser,H。;利普顿,R。;Levesque,M.,《利用HPX的Peridynamics异步和基于任务的实现——并行和并发的C++标准库》(2020),arXiv:1806.06917[物理学]
[28] Mossaiby,F。;Shojaei,A。;扎卡里奥托,M。;Galvanetto,U.,在图形加速器上实现高性能3D周动力学模型的OpenCL,Compute。数学。申请。,74、8、1856-1870(2017),网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0898122117304030 ·Zbl 1524.74004号
[29] 沃伦·T·L。;Silling,S.A。;阿斯卡里,A。;O.威克纳。;爱普顿,医学硕士。;Xu,J.,一种模拟固体材料变形和断裂的非普通基于状态的周动力学方法,国际固体结构杂志。,46、5、1186-1195(2009),网址:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768308004496 ·兹比尔1236.74012
[30] Silling,S.A。;Askari,E.,基于固体力学周动力模型的无网格方法,计算。结构。,83, 17, 1526-1535 (2005)
[31] Bobaru,F。;Ha,Y.D.,《2D周动力学中的自适应精细化和多尺度建模》,J.multiscale Comput。工程,9635-659(2011)
[32] 胡,W。;Ha,Y.D。;Bobaru,F.,《周动力数值积分技术报告》(2010年),内布拉斯加州大学林科伦分校
[33] Seleson,P.,基于分析计算的二维周动力模型的改进单点求积算法,计算。方法应用。机械。工程,282184-217(2014)·Zbl 1423.74143号
[34] Ha,Y.D。;Bobaru,F.,《动态裂纹扩展和裂纹分支的周动力学研究》,《国际分形杂志》。,162, 1-2, 229-244 (2010) ·Zbl 1425.74416号
[35] Trageser,J。;Seleson,P.,《基于邦德的周动力学:两个泊松比的故事》,J.Peridyn。非本地模型。(2020)
[36] Mehrmashhadi,J。;陈,Z。;赵,J。;Bobaru,F.,纤维增强复合材料层内断裂的随机均质周动力模型,Compos。科学。技术。,182,第107770条pp.(2019)
[37] 徐,J。;阿斯卡里,A。;O.威克纳。;Silling,S.,复合材料层压板冲击损伤的周动力分析,J.Aerosp。工程,21,3,187-194(2008)
[38] 胡,Y.-l。;Yu,Y。;Wang,H.,缺口复合材料层压板渐进损伤的周动力分析方法,合成。结构。,108, 801-810 (2014)
[39] Emmrich,E。;Weckner,O.,《周动力方程及其空间离散化》,《数学》。模型。分析。,12, 17-27 (2007) ·Zbl 1121.65073号
[40] 帕克斯,M。;塞莱森,P。;普林普顿,S。;勒霍克,R。;Silling,S.,《LAMMPS的周动力学:用户指南》,技术代表SAND2010-5549,桑迪亚国家实验室(2008),科学计算系,佛罗里达州立大学狄拉克科学图书馆400号,佛罗里达州塔拉哈西,邮编32306-4120,网址:https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.475.1059&rep=rep1&type=pdf
[41] D.Littlewood,J.D.Thomas,T.R.Shelton,《动力学模型临界时间步长的估算》,宾夕法尼亚州费城,2013年。
[42] Groot,R.D。;Warren,P.B.,耗散粒子动力学:弥合原子模拟和介观模拟之间的差距,化学杂志。物理。,107, 4423-4435 (1997)
[43] Le,Q.V。;Bobaru,F.,弹性力学和断裂力学模型的表面修正,计算。机械。,61499-518(2018)·Zbl 1446.74084号
[44] Bobaru,F。;Foster,J。;Geubelle,P。;Silling,S.,《周动力建模手册》(2017),查普曼和霍尔/CRC:查普曼与霍尔/CRC纽约
[45] K.O.W.集团,https://www.khronos.org/opencl/, 2020. 访问时间:2020-10-23。
[46] opencl规范,版本:3.0.5(2020),https://www.khronos.org/registry/OpenCL/specs/3.0-unified/html/OpenCL_API.html,于2020-10-23年访问
[47] 科克纳,A。;平托,N。;Lee,Y。;Catanzaro,B。;伊万诺夫,P。;Fasih,A.,PyCUDA和PyOpenCL:基于脚本的GPU运行时代码生成方法,并行计算。,38, 3, 157-174 (2012)
[48] Harris,M.,《优化CUDA中的并行缩减》,《使用CUDA工具包打包的演示文稿》(2007),NVIDIA Corporation,https://developer.download.nvidia.com/assets/cuda/files/reduction.pdf,访问时间:22-07-2021
[49] W.Gerstle,N.Sakhavand,S.Chapman,《钢筋混凝土搭接接头的周动力和连续模型比较》,载于:《第七届混凝土和混凝土结构断裂力学国际会议论文集》,FraMCoS-7,韩国济州,2010年。
[50] Bobaru,F。;胡伟,周动力层位的含义、选择和使用及其与脆性材料裂纹分支的关系,国际分形杂志。,176, 2, 215-222 (2012)
[51] Henke,S.F。;Shanbhag,S.,动力学模拟中的网格敏感性,计算。物理。Comm.,185,1,181-193(2014),网址:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465513003111 ·Zbl 1344.65115号
[52] 赵,J。;陈,Z。;Mehrmashhadi,J。;Bobaru,F.,钢筋混凝土腐蚀诱导断裂的随机多尺度周动力模型,《工程分形》。机械。,229,第106969条pp.(2020)
[53] Silling,S.A。;Madenci,E.,编辑:世界是非局部的,J.Peridyn。非本地模型。,1, 1, 1-2 (2019)
[54] McIntosh-Smith,S。;Deakin,T.,Hands-on opencl(2014年),https://handonopencl.github.io/,访问时间:24-09-2020
[55] CUDA体系结构的Opencl编程指南(2009),https://www.nvidia.com/content/cudazone/download/OpenCL/nvidia_OpenCL_ProgrammingGuide.pdf,访问时间:22-09-2020
[56] 英特尔处理器图形Opencl开发者指南,工作组规模建议摘要(2019),https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/documentation/iocl-opg/top/optimizing-opencl-usage-with-intel-processor-graphics/work-group-size-recommendations-summary.html,访问时间:22-09-2020
[57] 埃伊霍特,V。;van de Geijn,R。;Chow,E.,《高性能科学计算导论》(2016),Zenodo
[58] Niemeyer,K.E。;Sung,C.-J.,《使用GPU在反应流模拟中加速中等刚性化学动力学》,J.Compute。物理。,256854-871(2014),网址:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999113006396 ·Zbl 1349.76880号
[59] Schlömer,N.,Nschloe/meshio v4.2.0。泽诺。(2020), https://pypi.org/project/meshio网站/,于2020-10-23年访问
[60] Okabe,A。;Boots,B。;Sugihara,K。;Chiu,S.,《空间镶嵌:Voronoi图的概念和应用》(2000),威利出版社,纽约·Zbl 0946.68144号
[61] Virtanen,P。;Gommers,R。;Oliphant,T.E。;哈伯兰,M。;Reddy,T。;库纳波,D。;Burovski,E。;彼得森,P。;Weckesser,W。;Bright,J。;范德沃尔特,S.J。;布雷特,M。;Wilson,J。;Millman,K.J。;北马约罗夫。;Nelson,A.R.J。;琼斯,E。;科恩,R。;Larson,E。;Carey,C.J。;伊利诺伊州波拉特。;Feng,Y。;摩尔,E.W。;范德普拉斯,J。;拉萨尔德,D。;佩克托尔德,J。;Cimrman,R。;亨里克森,I。;昆特罗,E.A。;哈里斯·C·R。;阿奇博尔德,A.M。;里贝罗,A.H。;佩德雷戈萨,F。;van Mulbregt,P.,SciPy 1.0:python中科学计算的基本算法,《自然方法》,17,261-272(2020)
[62] Collette,A.,HDF5 for python(2020年),网址:http://www.h5py.org/,于2020-10-23年访问
[63] Ahrens,J。;Geveci,B。;Law,C.,《ParaView:大数据可视化的最终用户工具》(2005)
[64] Hobbs,M.,《准脆性结构构件的三维周动力模型》(2021),剑桥大学工程系(博士论文)
[65] 卡尔托夫,J。;Winkler,S.,高剪切加载速率下的失效模式转换,冲击载荷。动态。行为。材料。,1, 185-195 (1988)
[66] Kalthoff,J.,《固体动态剪切破坏模式》,《国际分形杂志》。,101, 1-31 (2000)
[67] Belytschko,T。;陈,H。;徐,J。;Zi,G.,基于双曲度损失和新的不连续富集的动态裂纹扩展,国际。J.数字。方法工程,58,121873-1905(2003)·Zbl 1032.74662号
[68] Rabczuk,T。;Zi,G。;博尔达斯,S。;Nguyen-Xuan,H.,一种简单而稳健的无需浓缩的三维裂纹粒子方法,计算。方法应用。机械。工程,1992437-2455(2010)·Zbl 1231.74493号
[69] 宋,J.-H。;阿雷亚斯,P。;Belytschko,T.,《带虚拟节点的动态裂纹和剪切带扩展方法》,国际。J.数字。方法工程,67,868-893(2006)·Zbl 1113.74078号
[70] Silling,S.A.,《kalthoff-winkler实验的周动力模型》(2001年桑迪亚计算科学奖(2002年)提交),网址:https://cfwebprod.sandia.gov/cfdocs/CompResearch/docs/kw-emu.pdf
[71] 格拉夫。,K.,弹性固体中的波动(1975),克拉伦登牛津·Zbl 0314.73022号
[72] C.Harris,M.Stephens,《角点和边缘组合检测器》,摘自:in Proc。第四届阿尔维视觉会议,1988年,第147-151页。
[73] Bradski,G.,The opencv library,Dobb博士的J.Softw。工具(2000)
[74] Yang,D。;Dong,W。;刘,X。;Yi,S。;He,X.,使用基于粘结的周动力学和新的损伤模型Eng.Fract研究混凝土中的i型裂纹扩展。机械。,199, 567-581 (2018)
[75] Baíant,Z.,《混凝土断裂模型:测试与实践》,《工程分形》。机械。,69, 2, 165-205 (2001)
[76] 格雷戈里,D。;罗哈斯·索拉诺,L.B。;Pijaudier-Cabot,G.,《缺口和无缺口混凝土梁的破坏和尺寸效应》,国际期刊编号。分析。方法地质技术。,37, 10, 1434-1452 (2013)
[77] 莱昂哈特,F。;Walterer,R.,《斯图加特剪切试验》,1961年:对处理钢筋混凝土施工中的剪切问题的贡献。出现在“Beton-Und Stahlbetonbau”中的文章翻译。1961年第12期第56卷和1962年(1964年)第2、3、6、7和8期第57卷,水泥和混凝土协会:伦敦水泥和混凝土学会
[78] \(f i b\)《2010年混凝土结构模型规范》技术报告(2010年),国际混凝土协会(fib):瑞士洛桑国际混凝土协会
[79] 西格斯特尔。;Sau,N。;Silling,S.,《素混凝土和钢筋混凝土结构的周动力建模》,(SMiRT18:第18届国际反应堆技术结构力学会议(2005),IASMiRT:IASMiRT,中国北京)
[80] 扎卡里奥托,M。;Loongo,F。;萨雷戈,G。;Galvanetto,U.,《周动力理论在解决静态平衡问题中的应用示例》,Aeronaut。J.,1191216677-700(2015)
[81] Littlewood,D.J.,《peridigm周动力学代码》。(2017), https://www.osi.gov/biblio/1426392
[82] 基利克,B。;Madenci,E.,《周动力理论与有限元法的耦合》,J.Mech。马特。结构。,5、5、707-733(2010),版权所有:2011 Elsevier B.V.版权所有,保留所有权利。
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