GPU implementation of a shell element structural solver aimed at fluid structure interaction problems

The study of thin structures is very common nowadays and useful in different fields. An important example is the analysis of sail dynamics. In this context, accurate simulations of the interaction between the sail and the wind are also required. However, this kind of fluid-structure interaction problems are very computationally expensive. First objective of this thesis is the implementation of an highly efficient shell finite element structural solver, designed to run on GPU (Graphics Processing Unit) hardware. In order to fully exploit the GPU computational power, an explicit central difference time-advancing scheme is adopted. Domain is discretized using MITC4 shell elements in large displacements formulation, due to their adequate numerical properties and ability of avoiding shear-locking problems and simulating sail wrinkles. Techniques adopted during the development, such as algorithms, memory management and code optimizations, are described in details. Numerical tests and benchmarks are carried out and performances are compared with the commercial software Abaqus. Second objective of this thesis is the development of a partitioned strongly coupled fluid-structure interaction solver, implemented in OpenFOAM, an open-source CFD framework. The fluid dynamics problem is solved using the PISO scheme, while the solver implemented in the first part handles the structural problem. The mesh-motion process and interpolation algorithms are analyzed and implemented in GPU in order to gain performance and reduce memory requirements. Finally, results of numerical and performance tests on the developed FSI solver are reported.

L'analisi di strutture sottili è attualmente un importante settore di ricerca, anche in relazione allo studio di fenomeni di interazione fluido-struttura. Un esempio è l'analisi della dinamica delle vele interagenti con il vento. Questo tipo di problemi risultano però essere computazionalmente molto onerosi. In questa tesi, inizialmente si focalizza l'attenzione sul solo problema strutturale. Si propone lo sviluppo di un efficiente solutore ad elementi finiti di tipo guscio, progettato appositamente per l'esecuzione in GPU (Graphics Processing Unit). Il software viene successivamente integrato in un'applicazione più ampia mirata alla risoluzione di problemi di interazione fluido-struttura. Per quanto riguarda il solutore strutturale, per poter usufruire appieno della potenza computazionale offerta dalla GPU, l'avanzamento in tempo viene effettuato tramite uno schema esplicito alle differenze finite centrate. Il dominio è discretizzato tramite elementi guscio di tipo MITC4, con formulazione in grandi spostamenti. Questo tipo di elementi è l'ideale per lo studio della dinamica delle vele, dato che sono immuni a problemi di shear-locking e permettono di simulare accuratamente le increspature del tessuto senza bisogno di modelli aggiuntivi. In questo documento, tutte le tecniche adottate durante lo sviluppo del codice sono discusse dettagliatamente, assieme agli algoritmi, alla gestione della memoria e alle ottimizzazioni effettuate. Utilizzando il software Abaqus come riferimento, sono riportati i risultati di test sia numerici che di prestazioni, sottolineando l'ottimo guadagno ottenuto grazie all'implementazione in GPU in termini di tempi di calcolo. Secondo obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un'applicazione destinata alla risoluzione di problemi di interazione fluido-struttura, all'interno dell'ambiente open-source OpenFOAM. Il problema strutturale viene risolto tramite il solutore sviluppato nella prima parte, mentre quello fluido tramite lo schema PISO. Il due problemi sono legati da un accoppiamento forte e partizionato, con sotto-rilassamento di Aitken per velocizzare la convergenza. Viene anche analizzata l'implementazione in GPU degli algoritmi di interpolazione e mesh-motion, per incrementare ulteriormente le prestazioni e diminuire il consumo di memoria. Infine, sono riportati i risultati numerici su due casi di interazione fluido-struttura, con analisi dei benefici ottenuti grazie all'utilizzo della GPU.