[发明专利]一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片静强度特性分析方法

摘要

本发明公开了一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片静强度特性分析方法，先建立有限元模型，计算模型的总刚度矩阵，再计算透平机械叶片的离心载荷向量和气动载荷向量，然后对节点进行位移约束和耦合，修正总刚度矩阵；再用CPU+GPU并行求解总体刚度矩阵和载荷向量形成的方程组，获得节点位移向量，然后计算主应变和VonMises等效应力，绘制分布云图，最后进行安全考核。本发明针对透平机械叶片静强度分析设计，方便工程设计人员操作，同时采用的CPU+GPU并行算法可以有效地提高有限元方法的计算速度，为透平机械叶片设计提供准确、快速的叶片静强度特性分析结果，大幅度缩短透平机械叶片的设计周期。

主权项

1.一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片静强度特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)有限元模型建立：对于给定的透平机械叶片的三维模型和材料参数，在有限元网格剖分软件中建立透平机械叶片的有限元模型，将有限元模型的节点坐标与单元‑节点对应关系存储在文件中，将叶根或轮缘要设置约束条件的节点以及要耦合的节点分别划分为集合，将要考核变形和应力部位的节点或单元输出到文件中，将透平机械叶片稳定工作时的气动数据记录在文件中；将透平机械叶片的预应力场数据记录在文件中，将透平机械叶片的材料参数以及工况参数输出到文件中；2)计算总刚度矩阵[K]：读取步骤1)中透平机械叶片的有限元模型的节点和单元数据，先对单元进行染色，然后计算总刚度矩阵[K]的行索引和列索引向量以及在压缩存储中的索引值，再根据染色结果在CPU和GPU上同时计算所有单元刚度矩阵并组装为总刚度矩阵[K]；3)计算总载荷向量{F}：根据步骤1)中存储的透平机械叶片的材料参数和工况参数，分别计算透平机械叶片因机械旋转引起的离心载荷向量以及因气流冲击导致的气动载荷向量，并合成为总载荷向量{F}；4)边界条件处理：根据步骤1)中存储的叶根或轮缘要设置约束条件的节点以及要耦合的节点的集合，对该集合中的节点进行位移约束和耦合，并修正步骤2)中获得的总刚度矩阵和总载荷向量；5)方程组求解，用CPU+GPU并行求解步骤4)修正后的总刚度矩阵和总载荷向量形成的方程组，获得节点位移向量；6)应力结果处理：先将步骤5)获得的节点位移向量转化为单元高斯积分点上的应变和应力，并外插获得单元节点上的应变和应力，计算主应变和VonMises等效应力，再将单元节点的位移、应变和应力输出，绘制分布云图；7)安全考核：统计步骤1)中考核变形和应力部位的节点的位移、主应变和Von‑Mises等效应力，将其中的最大位移，最大主应变，最大等效应力值与叶片材料安全承载极限做对比，并输出考核结果，即完成了透平机械叶片静强度特性分析。