Parallelisierung eines komplexen Finite-Elemente-Programmsystems

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Parallelisierung des nicht-linearen Finite-Elemente Paketes FEPS auf Parallelrechnern mit verteiltem Speicher entwickelt. Mit dem Ziel, eine weitgehende Automatisierung der parallelen Berechnungen zu ermöglichen, werden dabei alle Teilschritte der Simulation in das Konzept mit einbezogen. Die wichtigsten Bausteine des Gesamtsystems - ein paralleler Netzgenerierungsalgorithmus, parallele FE-Module und eine Kommunikationsbibliothek - werden implementiert und anhand von Test- und Praxisbeispielen erprobt. Der parallele Netzgenerierungsalgorithmus basiert auf der rekursiven Zweiteilung der das Rechengebiet definierenden geometrischen Struktur vor der eigentlichen Generierung der Gitterpunkte. Dieses Vorgehen beschleunigt die Netzgenerierung und erlaubt vor allem die Erstellung von Teilgebieten, die ein besseres Lastgleichgewicht der späteren FE-Berechnungen gewährleisten als dies mit konventionellen Netzaufteilungsalgorithmen möglich ist.

In this thesis a concept for the parallelization of the non-linear finite-element-package FEPS for distributed-memory parallel computers is developed. All steps of the overall process are included in the concepts to allow a comprehensive automation of the parallel computations. The most important building blocks of the overall system - a parallel mesh generation algorithm, parallel finite-element modules, and a communication library - are implemented and validated both for simple test problems and complex industrial applications. The parallel mesh generation algorithm is based on a recursive bisection of the geometrical structure defining the computational domain before the actual generation of nodal points. The approach not only accelerates the mesh generation process, but more importantly facilitates the generation of substructure that allow an improved load balancing for the actual finite element computations.