ANSYS多物理场耦合及高性能计算.pdf

演讲人 黄志新 博士 ANSYS多物理场耦合及高性能计算 目录 ANSYS多物理场概述 ANSYS多物理场技术和方法 ANSYS高性能计算 以高端仿真咨询服务助力研发升级 安世中德 焊缝焊缝 Solid 186 1 CAE发展趋势 多物理场耦合 CAE当前发展充满辩证思想 单场 多场 系统 细节 Multi Disciplinary Simulation Multi Level Simulation 1 物理场及物理量 多物理场求解 多场多物理量 时间 空间分 布和变化规律 场 Field 测量物理量测量物理量 力来源力来源 通量 Flux 场强场强 材料属性材料属性 连续性连续性 势 Potential 场积分场积分 自由度自由度 1 多物理场耦合 物理场间传递的物理量或物理现象 构成了耦合的多物理场 传热学 结构力学 磁场 流体力学 电场 目录 ANSYS多物理场概述 ANSYS多物理场技术和方法 ANSYS高性能计算 以高端仿真咨询服务助力研发升级 安世中德 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS多物理场开发历史进程 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 多物理场强调场与场间耦合方便 ANSYS提供直接耦合与顺序耦 合 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 直接耦合分析类型 热 结构 电磁 热 电磁 流体 流体 结构 磁场 结构 静电 结构 电流传导 磁场 电磁 热 流体 结构 电磁 热 结构 热 流体 电磁场 电路 场路耦合 电 结构 电路 压电分析 压阻分析 热电效应分析 结构 压电耦合 热 压电耦合 声学分析 流固耦合振动 声 结构耦合分析 静 流体 结构 静 流体 热 热流管道 单元类型 耦合场分析功能 单元类型 耦合场分析功能 SOLID5 结构 热 电 磁耦合 压电 PLANE13 结构 热 电 磁耦合 压电 FLUID29 结构 流体耦合 声学 FLUID30 结构 流体耦合 声学 CONTAC48 结构 热耦合接触 CONTAC49 结构 热耦合接触 CONTAC171 结构 热 电磁耦合接触 CONTAC172 结构 热 电磁耦合接触 CONTAC173 结构 热 电磁耦合接触 CONTAC174 结构 热 电磁耦合接触 SOLID62 结构 磁场耦合 FLUID116 热 流体耦合 管道单元 PLANE67 热 电耦合 LINK68 热 电耦合 线单元 SOLID69 热 电耦合 SOLID98 结构 热 电 磁耦合 压电 CIRCU94 压电 电路耦合 CIRCU124 电路 电磁场耦合 SHELL157 热 电耦合 TRANS126 静电 结构耦合 转换器单元 TRANS109 静电 结构耦合 转换器单元 FLUID141 结构 流体 CFD 耦合 FLUID142 结构 流体 CFD 耦合 ROM144 静电 结构耦合 降阶模型 PLANE223 SOLID226 SOLID227 结构 热 压阻 压电 电弹性 热电效应 结构 热电效应 热 压电等多种耦合类型 FLUID220 221 结构 流体耦合 声学 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 WB中直接耦合应用 热电 thermal electric 耦合 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 电磁场分析电磁场分析 不同物理场 不同位置网格的尺寸需求可能不尽相同 直接耦合场在使用同一套网格情况下 可能无法准确地捕捉物理量突变 流场分析流场分析 结构场分析结构场分析 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 顺序耦合方法 手动方法 物理场设置法 MFS 仅限于 仅限于ANSYS内部求解器 内部求解器 MFX CFX或其他外部求解器 或其他外部求解器 Multi Field 求解器 WB架构法 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 WB平台下的多物理场分析 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS Workbench Multi physics platform Drag Drop实现物理场耦合流程 同一模型 非同一模型 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 System Coupling in Workbench Provides workflows with a series of one way exchanges Enable collaboration between different engineering groups Supports a variety of static data sources such as Mechanical CFD Post third party solvers Excel spreadsheets etc Provides access to System Coupling features Mapping algorithms etc AXDT File AXDT File Name fsin 1 Data X X Coordinate m Y Y Coordinate m Z Z Coordinate m Temperature Temperature C Heat Rate Heat Rate W 0 7599342E 00 0 6500000E 00 0 1580677E 01 0 1242852E 03 0 2753702E 04 Faces 31 30 37 36 AXDT File 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 External Data system can be connected to System Coupling as a provider of static thermal data for one way FSI AXDT File ANSYS External Data Text Simple text file Based upon CFD Post import export format External Data to System Coupling 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS Workbench Multi physics platform Drag Drop实现物理场耦合流程 ANSYS CFX FLUENT ICEPARK 温度 ANSYS mechanic 热应力 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS CFX ANSYS Thermal ANSYS Mechanical 汽车排气歧管流动分析 换热系数 温度场计算 汽车排气歧管流动分析 压力 排气歧管结构分析 ANSYS Workbench Integrated Simulation Process 多种方法实现流固双向耦合 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 Maxwell ANSYS Thermal ANSYS Mechanical 电机磁场焦耳热 温度计算 电机磁场电磁力 电机结构分析 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 Maxwell ANSYS Fluent 变压器磁场焦耳热 温度场 流场计算 Maxwell网格 欧姆损耗 流场网格 传递界面 Fluent 导入后 焦耳热 Fluent 温度场 结果 2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 HFSS ANSYS Thermal ANSYS Mechanical 天线高频磁场阻抗损耗 温度计算 天线结构分析 HFSS整合到 耦合场计算 目录 ANSYS多物理场概述 ANSYS多物理场技术和方法 ANSYS高性能计算 以高端仿真咨询服务助力研发升级 安世中德 高性能计算 高性能计算 HPC High Performance Computing 求解更大规模的模型 让数值计算的模型更接近真实的模型 计算出更 高的精度 同一规模的算例求解的时间更短 或在单位时间内求解的次数更多 CAE HPC目的就是要以更低的成本 最短的时间 最少的人力 最少的 资金 更真实地模拟物理世界 将软件与硬件充分融合 发挥最大的效益 典型的高性能系统的软硬件构成 硬件系统 CPU 互联互联 内存内存 存储存储 系统软件 操作系统操作系统 硬件驱动硬件驱动 并行计算中间件并行计算中间件 PVM MPI 任务调度负载均衡软件任务调度负载均衡软件 应用软件 FEA CFD CEM 高性能计算系统硬件选择 处理器 核数 主频 决定求解速度 CPU主频越高 单核的求解速度越快 多核求解进程可以缩短求解时间 注意 两核以上的求解需要更多的HPC license 两种互联模式 不同算法 有所差异 Shared memory SMP single box workstation server Distributed memory DMP multiple boxes cluster NCSA TeraGrid IA 64 Linux Cluster HP Z800 Workstation 高性能计算系统硬件选择 内存 决定求解规模 一般来说 每百万自由度或节点的模型需要1 1 5G的内存 根据算法会有不同 建议以incore 方式求解 隐式结构求解器 建议内存在24 Gb 到48 Gb以上 存储 容量 速度 影响求解速度 硬盘容量需要足够大 用来保证求解过程中的临时文件和永久文件的存储 建议至少两块硬盘 采用RAID模式 内存与I O存储的要求 高性能计算系统硬件选择 显存 前后处理模型的显示速度 需要足够的显存进行图形显示 建议专业级的图卡 GPU 参与计算 支持ANSYS Mechanical 15 0计算 SMP和DMP 支持ANSYS Fluent 15 0计算 支持NVIDIA AND AMD 等GPU HPC and HPC Pack 支持GPU 高性能计算系统硬件选择 操作系统选择 64 bit OS highly recommended even if Prep post only No OS preferences both Windows or Linux are great for Solution 主流CAE软件的分类 隐式结构有限元算法 ANSYS mechanical 显式结构有限元算法 LS DYNA AUTODYN CFD求解器 FLUENT CFX ANSYS仿真产品仿真产品 流体仿真流体仿真 电子散热电子散热 ANSYS Icepak 通用流体通用流体 ANSYS CFD 结构仿真结构仿真 隐式隐式 ANSYS Mechanical 显式显式 ANSYS Explicit STR ANSYS LS DYNA 多物理场仿真多物理场仿真 ANSYS Multiphysics 隐式结构有限元算法 HPC特性 大内存 主 从计算进程所需内存不均衡 高性能磁盘I O 需要持续的高性能磁盘I O 尤其是主进程 高性能互联 计算进程间低延迟 高带宽的消息传递 MPI 2483 1389 835 633 301 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 124816 AMD Opteron Shanghai 2 7Ghz RHEL 5 16GB SAS 16 cores ANSYS 11 0 SP1 BMD 6 1 M DOF Modal DLANPCG 显式结构有限元算法HPC特性 内存建议最大4GB 核 需大容量磁盘 需高性能互联 www topcrunch org LS DYNA 3 car collision 11 21 6 51 3 17 1 65 0 95 0 2 4 6 8 10 12 1 42 84 168 3216 64 Wall time s Nodes Cores Woodcrest 5160 3 0G Infiniband 各类CFD求解器HPC特性 内存最大2 4GB 核 主从进程内存需求较均匀 中小问题求解过程磁盘I O要求不高 断续读写 高性能互联有助于提高并行度 32核 Name perf CombEDM DESCRIPTION Combustion EDM example Variant of combustor eddy dissipation tutorial Number of nodes 245 411 No of Elements 959 976 tet prism pyramid ANSYS Mechanical HPC算例 飞机机翼模型 1百万自由度 ANSYS分布式稀疏矩阵求解器 Distributed Sparse in core Intel Nehalem集群 Intel MPI Infiniband Linux x64 使用32核 4个计算节点 2个ANSYS HPC PACK 支持32核求解 相对2个核 ANSYS Mechanical缺省允许2个核 的总体计算性能是10 5倍 34 1557 967 460 260 148 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2481632 Total Time seconds ANSYS CFD HPC算例 CFX并行效率大幅提升 512核的加速比达 到230以上 Fluent在大核数时的并行效率也大幅提升 在10240个核的机器上运行96M网格的案例 采 用耦合求解器 并行效率高达84 使用分离式求解器求解111M网格单元的汽车空 气动力学案例 也具有类似的趋势 Courtesy Siemens AG M l