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研究生:郭耀崇
研究生(外文):Yao-Chong Guo
論文名稱:SSOR預加條件共軛梯度法在個人電腦叢集下之探討
論文名稱(外文):The study of SSOR preconditioned conjugate gradient method on personal computer clusters
指導教授:何旭彬
指導教授(外文):Shi-Pin Ho
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:有限元素法SSOR 預加條件共軛梯度法個人電腦叢集平行處理
外文關鍵詞:personal computer custerfinite element methodSSOR conjugate gradient methodparallel computing
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有限元素法是一在工程上廣泛被使用的數值方法,而在求解的過程中,我們最後都將必須去面對求解一線性聯立方程組的過程,去求得問題的近似解,而在此部分所花費的時間與計算量,在整體的時間與計算量上,所佔的比重是非常大的。
對於大型求解線性聯立方程組,我們應用兩種已知的迭代法:Jacobi 預加條件共軛梯度法與SSOR 預加條件共軛梯度法。而在使用SSOR預加條件共軛梯度法時,需要去求解上、下三角矩陣,此部分最難平行化。在本文中,即針對三維有限元素問題,採用一新的垂直切割方式作切割問題空間,而其實際上的作法是將節點的編號方式變更,在實驗室的個人電腦叢集平台上進行測試。
而由結果中顯示,當隨著處理器數目的增加,SSOR 預加條件共軛梯度法,將在總迭代時間上顯現出其優勢,在面對規模較大問題時,採用垂直切割方式的SSOR 預加條件共軛梯度法,將是一種較好的選擇。面對這樣的結果,在日後的個人電腦叢集平台上,所進行的平行有限元素法中,將會有很大的助益。
Finite element method has been widely used in engineering applications. A set of linear equations has to be solved to get the approximate solutions. This calculation spent most of the compution time .
Two well known iterative methods are applied to solve this linear equations. They are the Jacobi conjugate gradient method and the SSOR conjugate gradient method. When we use SSOR conjugate gradient method, we need to solve upper and lower triangular matrices which are very difficult to be paralleized. In this paper, we use a new vertical domain cutting procedure on three-dimensional finite element problem. The numberical experiment are performed on personal computer clusters in our laboratory. In real calculation, the node munbers are reordered as several groups, so that every group of nodes in the matrix are independent of the other groups.
The results show that when the amounts of processors increase, the SSOR method performs better in the total iterative time. When we face the large scale problem, it is better to choose the vertical domain cutting procedure in SSOR conjugate gradient method. The results will give great help in developing the heterogeneous personal computer cluster and parallelize the finite element method in the future.
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
符號說明 XI

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 3
1.4 論文架構簡介 4

第二章 基本理論 5
2.1 有限元素法 5
2.2 資料儲存之格式 6
2.2.1 壓縮列儲存法 6
2.2.2 區塊壓縮列儲存法 8
2.3 線性聯立方程組之求解 10
2.3.1 預加條件共軛梯度法 10
2.3.2 預選矩陣之形式 12
2.3.2.1 Jacobi預選矩陣 12
2.3.2.2 SSOR預選矩陣 13

第三章 個人電腦叢集與平行處理 14
3.1 個人電腦叢集發展背景 14
3.2 個人電腦叢集計算環境 15
3.2.1 電腦的資料存取與運作 15
3.2.2 平行計算的環境架構 18
3.2.3 實驗室個人電腦叢集架構的建置 19
3.3 MPI平行處理軟體 23
3.3.1 MPI發展背景 23
3.3.2 MPI指令介紹 24
3.3.2.1 基本常用指令介紹 24
3.3.2.2 編輯與執行指令 27
3.4 平行有限元素法 28
3.4.1 預加條件共軛梯度法之平行處理 29
3.4.2 Jacobi預選矩陣共軛梯度法之平行處理 30
3.4.3 SSOR預選矩陣共軛梯度法之平行處理 32
3.4.3.1 解三角矩陣平行處理之想法 33
3.4.3.2 解三角矩陣平行處理之切割 34
3.4.3.3 三角矩陣平行處理之資料交換 42

第四章 實驗結果與討論 46
4.1 三維模型有限元素法之實例敘述 46
4.2 平行有限元素法程式驗證 47
4.2.1 平行有限元素法實驗設備 48
4.3 實驗室個人電腦叢集之平行處理結果 48
4.3.1 Jacobi預選矩陣共軛梯度法 49
4.3.2 SSOR預選矩陣共軛梯度法 55

第五章 結論與建議 71

參考文獻 74
[1]Shi-Pin Ho,“Parallelization of Finite Element Matrix-vector Multiplications on SP2 ”, HPC Asia 95, Taipei, 1995.
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