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基于.NET平台的并行计算技术在疲劳应力求解中的应用
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1 基于.NET 平台的并行计算技术 在疲劳应力求解中的应用 甘中核武汉核电运行技术股份有限公司,国华、陈银强、桂春 摘 要:随着多核 CPU 的普及,并行计算技术在各个行业领域得到了充分的重视和广泛的应用。在对.NET 平台的并 行计算技术进行了初步探讨后,以核电厂关键设备热疲劳状态监测系统中的应力求解为例,构建了一个支持并行计算的 应力求解器,充分利用了多核 CPU 的硬件资源。通过真实的热工数据测试并验证了多核并行计算技术能够显著提升应力 求解的运行效率,从而为疲劳监测系统最终的累计疲劳损伤系数的求解节省了时间。 关键词:多核;并行计算;应力求解 0 引言 随着计算机技术的发展,随着多核 CPU 的普及,并行计算技术在各个行业领域得到了充分的重视和广泛 的应用。目前流行两种主要的并行系统:共享内存系统和分布式内存系统。在共享内存系统中,各个核能够 共享计算机的内存,理论上每个核能够读、写内存的所有区域。在分布式内存系统中,每个核都拥有自己的 私有内存,核之间的通信是显式的,必须使用类似于在网络中发送消息的机制。在并发计算中,一个程序的 多个任务在同一个时段内可以同时执行。在并行计算中,一个程序通过多个任务紧密协作来解决某个问题。 在分布式计算中,一个程序需要与其它程序协作来解决某个问题。 疲劳是核电厂承压部件由于循环载荷引起的局部损伤过程,其发生的原因是随时间变化的热载荷、压力 载荷和机械载荷在部件表面产生应力波动,而足够严重的应力循环会引起疲劳损伤,最终导致部件开裂。根 据运行经验看出,利用电厂现有的热工数据条件来监测核电厂关键设备的疲劳损伤因子是管理核电厂疲劳降 质的最有效途径。 这背后潜藏的一系列算法中, 首当其冲的处理步骤就是运用格林函数的方法进行应力计算。 由于应力计算以大量的热工数据作为输入,且输出的每组应力数据又包括六个方向的应力分量,因此应力计 算的性能将直接影响着累计疲劳损伤系数计算的总体性能。 针对单机多核硬件架构的发展趋势,本文先总体介绍.NET 平台下的各类并行计算技术,以及这些技术的 适用场景, 接着介绍串行化计算单个方向应力分量求解器的设计, 最后介绍利用 Thread 类 API 及信号量同步 原理实现应力的并行计算,并对测试结果进行了分析。 1 .NET平台下的并行计算技术简介 在.Net 平台下,可用的多核并行计算技术包括如下四种: 1)委托类型的异步方法回调,该方式容易上手,遇到复杂应用场景时需要一定的技巧; 2)CLR 线程池(即 ThreadPool 类 API),该方式简单易用,尤其适用于无需传入参数的应用场景; 3)Thread 类 API,该方式最灵活,兼顾简单和复杂的应用场景; 4)任务并行库(Task Parallel Library,TPL)中 Parallel 类 API,该方式简化了数据同步处理,但不同 方法的执行效率相差甚大,需要谨慎选用。 需要注意的是:前三种方式在 Framework 2.0 版本及更高版本上使用,最后一种方式仅在 Framework 4.0 版本及更高版本上使用。

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