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研究生: 陳金印
Chin-Yin Chen
論文名稱: 平行與物件導向化之無元素法分析
Parallel Object-Oriented Analysis FrameWork for the Element Free Method
指導教授: 陳鴻銘
Hung-Ming Chen
口試委員: 潘誠平
none
張大鵬
none
謝佑明
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 物件導向平行分散無元素法
外文關鍵詞: object, element free, parallel
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以物件導向設計開發有限元素分析程式,經許多研究證明,其相較於傳統使用程序式語言所開發之系統具有許多優點,例如資料之抽象化、程式之模組化與程式碼再利用等。亦有研究進一步整合了平行計算於物件導向之分析程式中,其證明了運用平行計算技術可有效提升系統之分析效率,而物件導向程式之資料封裝與多樣式之特色亦使分析系統之平行化更易於實作與維護。
無元素法為正在研究發展中的新數值方法,更有必要研究使用物件導向設計開發易於整合、維護與擴充的程式發展平台,供研究人員於研發上使用,且無元素法之計算量是數倍於有限元素法,亦更有必要研究整合平行計算技術以提升其分析效率。故本研究針對無元素法之分析程序提出物件導向設計之程式開發平台,並以程式之平行化配合電腦叢集計算提升了無元素法分析計算之效率,此外本研究亦使用OpenGL開發圖形介面,將數值模型與分析結果視覺化。
在物件導向設計方面,本研究將節點、積分網格、高斯積分點、外力載重、束制條件等各自抽象化與模組化成為物件,並以其間之合作互動來完成無元素法之計算流程,而程式平行化的策略上則是將積分網格與節點均勻的分配分散給各台電腦同時做計算,其實作則是以提供物件於電腦間轉移之能力來達成,此一整合物件導向與平行計算之無元素法分析程式,可為無元素法之相關研究提供一個有效率的整合平台,將有助於無元素法之發展與普及。


論文摘要 I 誌謝 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的 2 1.3研究方法 2 1.4論文架構 3 第二章 背景說明 4 2.1無元素法基礎理論 4 2.1.1移動式最小平方近似法 4 2.1.2權重函數的形式與探討 6 2.1.3形狀函數的形式與探討 7 2.1.4高斯積分法 8 2.1.5邊界條件修正法 9 2.2物件導向程式與設計 9 2.2.1資料封裝化(Encapsulation)和抽象化(Abstraction) 10 2.2.2繼承(Inheritance) 10 2.2.3多型(Polymorphism) 11 2.3 MPI平行計算環境 11 2.4 PC叢集平行計算環境 12 2.5 OpenGL 12 第三章 文獻回顧 14 3.1無元素法之發展 14 3.2無元素法分析之平行化研究 15 3.3無元素法數值模型參數分析之研究 16 第四章 系統功能需求分析 17 4.1物件導向程式設計 17 4.2平行與分散式計算 18 4.3以物件為資料傳遞單位 19 4.4圖形化介面 20 第五章 程式演算法 21 5.1無元素法分析演算法 21 5.1.1求整體勁度矩陣 21 5.1.2反矩陣偏微分 24 5.1.3以罰數法限制邊界條件 25 5.1.4外力向量處理 26 5.2平行化演算法 27 5.2.1分散積分網格之平行化 27 5.2.2分散節點之平行化 30 5.3繪圖演算法 32 5.3.1模型定義繪圖演算法 33 5.3.2模型節點變位繪圖演算法 34 5.3.3模型應力應變繪圖演算法 35 第六章 系統規劃與設計 37 6.1 無元素法分析之物件導向設計 37 6.1.1 Model類別 38 6.1.2 Node類別 38 6.1.3 Cell類別 39 6.1.4 IntegrationPoint類別 40 6.1.5 Constrain類別 41 6.1.6 Load類別 42 6.1.7 Analysis類別 42 6.1.8 Graphic類別 43 6.1.9 Matrix與Vector類別 43 6.2系統之平行化 45 6.2.1物件傳遞轉移機制 45 6.2.1.1 Communicator類別 45 6.2.1.2 MovableObject類別 46 6.2.1.3 MovableMatrix類別 47 6.2.2平行化之物件導向無元素法分析系統架構 47 6.2.2.1基於分散積分網格策略之設計 48 6.2.2.2基於分散節點策略之設計 49 6.3系統運作流程 49 第七章 分析實例研究與平行效能評估 56 7.1實例模型簡介 56 7.1.1懸臂梁模型 56 7.1.2簡支梁模型 57 7.1.3水壩模型 59 7.2無元素法分析與有限元素法分析之比較 61 7.2.1分析精確度比較 61 7.2.2分析效能比較 63 7.3分散積分網格與分散節點之平行化無元素分析效能比較 64 第八章結論與建議 70 8.1結論 70 8.2建議 71 參考文獻 73 附錄 78 A.1系統成員列表 78 A.1.1 Model類別成員 78 A.1.2 Node類別成員 80 A.1.3 Cell類別成員 81 A.1.4 IntegrationPoint類別成員 82 A.1.5 Constrain類別成員 83 A.1.6 Load類別成員 84 A.1.7 Analysis類別成員 84 A.2 實例模型分析結果繪圖 85

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