HIGH-PERFORMANCE EXPLJCITTRANSIENT STRUCTURAL ANALYSIS

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1 HIGH-PERFORMANCE EXPLJCITTRANSIENT STRUCTURAL ANALYSIS ECOLE POLMECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTNR &S SCIENCES TECHNIQUES PAR Pieter Theodorus Gerardus VOLGERS MSG. in Aerospace Engineering, Deifl University of Technology, Pays-Bas de nauonalit6 newlandaigs accaptb sur proposition du jury: Prof. L. PRug, dliwcteur da thhe Prof. A. Cumier, wrteur Dr R. Gruber, rappmteur Dr 6. Merani. rapporteur Dr C. Rankin, repporteur Prof. E. Rb, rapporteur Lausanne, EPFL 2000

2 Abstract The continuous development of finite element programs creates code which is increasingly difficult to maintain, due to the increasing complexity as well as the chosen programming language. At the same time, the desire to analyse increasingly more complex and larger models requires the use of powerful tools capable of solving these problems in a reasonable amount of time. The research described in this thesis aims to solve these issues of maintainability and performance. For that purpose a new code structure has been designed, and the new finite element program has been adapted to make use of modern high-performance computers. The two principle parts in this thesis are: Design of an object-oriented code base In order to improve maintainability and ease of development, an objectoriented framework for finite element programs, written in C++, has been designed. The structure of the framework is set up in such a way, that the existing computational routines from the old Fortran program can be integrated in the new object-oriented code. Adaptation for high-performance computing Although object-oriented code generates more overhead than traditional procedural programming, the restructuring of the program together with

3 the use of certain advantages of C++ created a new program executable which is faster than the old program. The object-oriented code made the adaptation of the code for parallel computing relatively easy and allowed the programming of the communication to be implemented transparently. New element types and new material models have been implemented to demonstrate the flexibility and ease of development of the new code. Three applications are presented to demonstrate the possibilities of the new finite element program.

4 Version abr6gce Les programmes de simulation numcrique basks sur la mtthode des 616- ments finis ou volumes finis sont de plus en plus difficiles ii maintenir, en raison notarnment de la taille croissante des programmes et du choix des langages de programmation. Parallklement le besoin de rcsoudre des problbmes de plus en plus complexes requiert des outils capables de traiter ces applications dans un temps raisonnable. Le prtsent travail consiste ii trouver des solutions ii cette Cvolution dans le domaine de la performance et de la maintenance. A cette fin une structure sptcifique de code de simulation a CtC ClaborCe et le programme qui en rcsulte a CtC particulikrement adapt6 aux calculateurs parallbles modernes. Cette contribution est composte de deux parties: Conception d'une base de programmes orientes objet Afin de simplifier le dcveloppement des codes ClCments finis et d'amiliorer leur maintenance une base de programmes orientts objet a Ct6 dcveloppie en C++. La structure a CtC cogue de manikre 2 pouvoir inttgrer les programmes existants codts dans les langages traditionnels tels que C ou Fortran.

5 Calcul a haute performance Bien que les programmes codts dans un langage orientt objet tel que C++ provoquent une consommation de ressources plus substantielle que les programmes cod& dans un langage traditionnel tel que Fortran, la restructuration, combinte h l'exploitation de certains avantages propres au C++, produit un code plus efficace. En plus le modkle de programmation orientt objet facilite consid6rablement l'impltmentation sur ordinateur parallkle, rendant transparent l'effet de la communication entre processeurs. Des nouveaux types d'tltments et des nouveaux modgles de matcriaux ont kt6 introduits afin de montrer la flexibilitk de l'approche et la facilitt avec laquelle ces thtories peuvent &tre impltmenttes. Trois applications sont prhenttes, elles dtmontrent les possibilitis du code.

6 Samenvatting De voortdurende ontwikkeling van de huidige eindige elementen programma's resulteert in code die steeds moeilijker is te onderhouden. De wens om ingewikkelde en grotere modellen te bestuderen vraagt tegelijkertijd om de middelen om deze problemen in een redelijke tijd op te kunnen lossen. Het onderzoek in dit proefschrift is bedoeld om aan de problemen van steeds intensiever onderhoud en de hoge eisen ten aanzien van de prestaties het hoofd te bieden.. Hiervoor is een nieuwe programma structuur ontwikkeld en het nieuwe eindige elementen programma is aangepast voor het gebruik van moderne supercomputers. De twee belangrijkste onderdelen in dit proefschrift zijn daarom: Ontwerp van een object-georienteerde programma structuur Ter verbetering van de eenvoud van onderhoud en ontwikkeling is een object-georienteerde structuur voor eindige elementen programma's, geschreven in C++, ontwikkeld. Deze structuur is dusdanig opgezet dat de bestaande reken-routines van de oude Fortran code in de nieuwe structuur kunnen worden opgenomen. Aanpassing voor supercomputers Ondanks het feit dat object-georienteerde code in meer overhead resulteert dan in traditionele procedurele programma's, de herstructurering

7 van het programma en het gebruik van de mogelijkheden van C++ resulteert in een programma wat sneller is dan de oude versie. De objectgeorienteerde opzet maakte de aanpassing van de code voor parallelle computers relatief eenvoudig en maakte het mogelijk de communicatie doorzichtig te programmeren. Nieuwe element types en nieuwe materiaal modellen zijn geschreven om de flexibiliteit en de eenvoud van ontwikkeling in de nieuwe code aan te tonen. Drie toepassingen laten de mogelijkheden van het nieuwe eindige elementen programma zien.

8 Contents 1 Introduction Overview of today's problems... I 1.2 Research objectives The finite element program Layout of the thesis Brief overview of explicit finite element theory The finite element method Equilibrium of a continuum Finite element discretisation Large displacements and rotations Time integration Explicit implementation Equations of motion Element integration Implementation scheme The object oriented approach Object-oriented programming Encapsulation Polymorphism Inheritance vii

9 Code reuse Literature study. current state Considerations for the setup The existing environment The programming language The building blocks Introduction to B The design of the object-oriented wrapper FE Model and Explicit Method The object-oriented wrapper Implementation Results Maintenance and development Performance Conclusions Implementation of new elements A volume element Kinematics Constitutive relations Anti-hourglassing Implementation A particle model to simulate gelatine Description of the model Implementation Tests Obtaining material parameters Material behaviour Conclusions... 63

10 6 New material models Damage model for UD composite materials Algorithm for the UD material Implementation Updated model Damage model for fabric composite materials Elastic damage model Plastic damage model Implementation Material parameters and validation Conclusions Introduction to parallel programming Amdahl's law Hardware types Process streams Memory models Basic parallel methods Parallelisation of the explicit code Domain decomposition Performance analysis Implementation Message Passing Interface (MPI) Data and method Communicating Synchronisation Reading and writing to file Benchmark results Influence of the number of elements Large models Conclusions

11 9 Applications Optirnisation of material parameters Specimen Optimisation method Results Conclusions Impact simulations Structural model Metal impact simulation Gelatine impact simulations Conclusions Simulation figures Mode-jumping simulations Continuation methods Mode jumping phenomenon Numerical implementation Numerical examples Discussions on the behaviour of the explicit code Conclusions Conclusions Conclusions and recommendations 155 Bibliography 163 A Theory of the 8 node volume element 171 A. 1 Kinematics A.2 Constitutive relations A.3 Anti-hourglassing A.4 Computation of the B-matrix and the volume B Damage models for composite materials 179 B.1 Material definition of UD damage model B.2 Implementation tests of UD damage model

12 B.2.1 Damage. non-viscous response in shear B.2.2 Damage. viscous response in shear B.2.3 Plastic. non-viscous response in shear B.2.4 Plastic. viscous response in shear B.2.5 Viscous damage in fibre direction B.2.6 Figures of UD-material tests B.3 Material definition of fabric damage model B.4 Implementation tests of fabric model B.4.1 Tensile test B.4.2 Shear test B.5 Figures of fabric material tests C Program manuals 195 C.1 Explicit Transient Analysis C.l.l Compilation C. 1.2 B2ETA - serial version C. 1.3 B2ETA - MPI version C.2 Mode jumping simulations C.3 Output to disk C.3.1 Basic output C.3.2 Restart output C.3.3 Complete output D Benchmark input file 201 E List of colleagues 205 Acknowledgements 207 Curriculum Vitae 209

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