一种针对特征值问题的二网格法的网上并行实现

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特征值问题有限元法在科学研究、工程设计、结构力学和量子力学等方面有着广泛的应用。随着现代科学技术的发展,科学研究和工程计算等所涉及的特征值问题规模庞大,采用传统的串行计算在现有的串行机上可能无法实现,并行机的出现可以使这样的问题得以解决,但由于其昂贵的价格和程序对硬件的依赖性,限制了其应用范围。基于PVM的网络并行计算平台便可以利用现有的计算机资源解决使用单机不能解决的问题,用该方式能够很好地解决有限元特征值问题。本文在对特征值问题二网格法的实现过程进行了并行性分析后,矩阵和向量采用分块储存方式,运用行元素单元贡献法实现了有限元总体刚度矩阵、总体质量矩阵、总体荷载向量的生成。对于粗网格上的计算量不大,所以可以用单机实现特征值和相应的特征向量的求解。首先对刚度矩阵进行LU分解求其逆矩阵,其次将所得的逆矩阵与粗网格上生成的质量阵相乘,最后用反幂法求得粗网格的最小特征值和相应的特征向。在细网格上的运算量和储存空间都很大,因此采用并行实现总体刚度矩阵、总体质量矩阵、总体荷载向量的生成。特征值问题二网格法需要在细网格上解有限元方程组,该方程组的系数矩阵是一个大型的稀疏矩阵,针对这样的方程组采用预处理的共轭梯度法很有效。本文利用m—Step Jacobi PCG方法进行改编,得到基于PVM的m—Step Jacobi PCG方法的并行算法,用此算法来实现有限元方程组的并行求解,在PVM3.4 on WindowsXP,VC6.0并行计算平台上进行了数值试验,用1—8台桌面PC机联成的局域网,通过对正方形区域和L型区域进行了编程计算,得到了正确的结果,预处理后迭代收敛很快,其并行加速比和计算时间都很理想。
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