um programa de elementos finitos em gpu e orientado a objetos para análise dinâmica não linear ...

356 Pages·2014·43.73 MB·Portuguese

RENATOTOSHIOYAMASSAKI
UM PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS EM GPU E
ORIENTADO A OBJETOS PARA ANÁLISE DINÂMICA NÃO
LINEAR DE ESTRUTURAS
Tese apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do título de Doutor em
Ciências
São Paulo
2014

RENATOTOSHIOYAMASSAKI
UM PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS EM GPU E
ORIENTADO A OBJETOS PARA ANÁLISE DINÂMICA NÃO
LINEAR DE ESTRUTURAS
Tese apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do título de Doutor em
Ciências
Área de Concentração:
Engenharia Mecânica de Projeto e
Fabricação
Orientador: Prof. Livre-Docente
Marcílio Alves
São Paulo
2014
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
São Paulo, 28 de maio de 2014
Assinatura do autor
Assinatura do orientador
FICHA CATALOGRÁFICA
Yamassaki, Renato Toshio
UmprogramadeelementosfinitosemGPUeorientadoaobjetospara
análisedinâmicanãolineardeestruturas/R.T.Yamassaki. –SãoPaulo,
2014.
352 p.
Tese (Doutorado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos.
1. Método dos elementos finitos 2. Estruturas (Impacto) 3. Sistemas
não-lineares 4. Projeto de software orientado a objetos 5. Computação
paralela I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento
de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos II.t.
A Deus, minha mãe, meu irmão e
minhas plantas (!)

vii
Agradecimentos
Primeiramente, agradeço a Deus pela grande ajuda em tornar este trabalho
realidade. Em seguida, duas pessoas foram meus grandes mentores e exemplos
que ouvi e segui durante todo este tempo: minha mãe, Amélia, e meu irmão,
Ricardo. Durante o doutorado, mesmo quando eu me perdia em devaneios sobre
a arquitetura do programa ou contava sobre as ideias malucas que tinha, eles
sempre ouviam atentamente, sendo as pessoas com quem mais compartilhei as
alegrias e tristezas ao longo do processo. Amélia e Ricardo, muito obrigado por
tudo!
Recebi bastante apoio dos meus colegas no GMSIE, o Grupo de Mecâ-
nica dos Sólidos e Impacto em Estruturas. Seguem agradecimentos especiais
para Rafael Santiago, Rafael Moura, Roberto Oshiro, Leonardo Mazzariol e
Miguel Gonzales, pela paciência e oferecerem boas ideias, além de explicar não-
linearidade para um não-engenheiro.
Seguem também agradecimentos à Profa. Larissa Driemeier, pelas expli-
cações iniciais em não-linearidade, e ao Prof. Marco Lúcio Bittencourt, pelas
valiosas discussões. E, é claro, não podia faltar agradecimentos ao meu orienta-
dor, o Prof. Marcílio Alves, que me ofereceu esta grande oportunidade, para um
aluno de computação e me apoiou enquanto eu desvendava a área de Engenha-
ria. Por último, agradeço à CAPES pelo financiamento concedido e à Escola
Politécnica e à Universidade de São Paulo, pelo oferecimento das instalações
onde foi realizado o trabalho.
Fui excêntrico ao dedicar este trabalho às minhas plantas. O estresse que
sofriporcausadademandaporresultadosquasemeabaloufísicaementalmente.
Cultivar plantas foi o que me garantiu dias menos estressantes, se tornando uma
verdadeira terapia. Aliás, para esclarecer, alguns nomes dos componentes da
arquitetura do programa aqui discutido são nomes de plantas que cultivo.
UmprogramaMEFemGPUparaanálisedinâmicanãolineardeestruturas (cid:4) Marçode2014

ix
RESUMO
É notório que o emprego de unidades de processamento gráfico
(GPU) pode acelerar significativamente métodos numéricos de apli-
cações científicas. Para suportar essa nova tecnologia, é necessário
que programas sejam readaptados, exigindo flexibilidade do código.
Nessetrabalho, éapresentadaaarquiteturadeumprogramadeele-
mentos finitos (MEF) para a análise de estruturas, com suporte ao
processamento em GPU. A orientação a objetos é usada para guiar
o desenvolvimento e modelar o código em uma estrutura flexível. A
escalabilidade do programa é dada pela extensão de suas funciona-
lidades através de componentes carregados em tempo de execução.
Para ilustrar a robustez do código, o software é aplicado para o
estudo de dinâmica estrutural, considerando aspectos complexos
de não linearidade de material (plasticidade) e geometria (grandes
deslocamentos). A acurácia do código é verificada através da com-
paração com problemas conhecidos da literatura e com as soluções
MEF comerciais (ABAQUS). As comparações mostraram uma boa
concordância nos resultados. O speedup da GPU é analisado em
relação aos tempos de CPU do próprio programa, sendo observado
ganhos de desempenho de até 10 vezes.
Palavras-chaves: Método dos Elementos Finitos, estruturas, siste-
mas não-lineares, projeto de software orientado a objetos, compu-
tação paralela.
UmprogramaMEFemGPUparaanálisedinâmicanãolineardeestruturas (cid:4) Marçode2014