【摘 要】
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离散元法作为一种典型的非连续计算方法在道路工程中应用广泛,但是目前商业化的离散元仿真模拟的软件在解决较大尺寸路面结构的模拟时计算效率非常低下,其根本原因是计算并行度不高;另外其学习成本较高、缺乏沥青混凝土等相应的本构模型等,都影响了道路工程中离散元方法的使用。近些年来GPU作为主流高性能计算的加速设备,被越来越多地应用于诸多领域的并行计算中,尤其是用来处理大数据分析。本文主要研究并行计算的发展、统
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离散元法作为一种典型的非连续计算方法在道路工程中应用广泛,但是目前商业化的离散元仿真模拟的软件在解决较大尺寸路面结构的模拟时计算效率非常低下,其根本原因是计算并行度不高;另外其学习成本较高、缺乏沥青混凝土等相应的本构模型等,都影响了道路工程中离散元方法的使用。近些年来GPU作为主流高性能计算的加速设备,被越来越多地应用于诸多领域的并行计算中,尤其是用来处理大数据分析。本文主要研究并行计算的发展、统一计算架构（Compute Unified Device Architecture,CUDA）技术在离散元数值模拟中的应用,以及GPU多线程的原理和方法等,为使用并行计算技术来提高道路工程中离散元大规模数值计算效率提供思路。在本研究中,开发了一款具有可视化界面的道路材料离散元仿真系统GAPSYS。此程序的创新功能是实现了GPU并行加速计算,能够适应沥青混合料及各种路面的材料计算需要,并且完成了快速的建模方法。此系统主要分为三部分,前处理、计算核心和后处理。前处理是通过可视化界面,进行参数和模型的选择和设置,生成相应的颗粒、墙体及颗粒群模型;计算核心主要指使用CUDA算法实现的数据处理和离散元迭代计算;后处理主要为结果输出,有文件、曲线和图片三种形式。本文主要完成了以下工作:（1）可视化界面的设计与开发。借助Visio 2016,利用面向对象的方法,对可视化界面进行了分析、设计及编程。在界面开发中引入了简代码理念,通过Im GUI图形库和Open GL图形显示工具实现了程序的前处理功能。（2）内核开发。基于Visual Studio 2013集成开发环境（IDE）,使用C++语言对离散元的基本模块实现了数据结构和基本算法的CUDA封装。（3）离散元算法的并行化。对离散元可并行化进行分析,实现了将离散元算法从串行化到并行化的移植,完成了离散元迭代循环的并行加速计算。（4）算法测试。在软件完成开发工作后,通过算例来检测关键程序的可靠性。
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