超算并行有限元分析系统开发及船舶系统应用.ppt

超算并行有限元分析系统 SciFEA 开发及船舶系统应用 报告人 钱华山博士北京超算科技有限公司2012年5月 内容提要 超算有限元分析系统SciFEA SciFEA和船舶系统相关应用 北京超算并行计算解决方案 我们越来越需要有限元 二十世纪前人类认识世界的两种手段做试验 靠经验建立数学物理模型 大多是偏微分方程 做理论分析二十世纪出现的第三种手段由电子计算机求解数学物理模型的数值仿真与数值试验有限元是数值求解偏微分方程的最重要的数值方法 有限元是二十世纪最有影响力的发明之一 林群院士 专业化是有限元软件的重要发展方向 集设计 分析和优化于一体以产品设计为主导 分析和优化作为设计的核心计算支撑构件化 模块化 可重用 易集成 优化设计出的新型结构 我们越来越需要有限元 SciFEA系统结构 超算有限元分析系统SciFEA 超算有限元分析系统SciFEA 专业化前后处理器 在几何模型领域 GID是一款通用 方便 友好的用户图形接口 由CIMNE TheInternationalCenterforNumericalMethodsinEngineering 研发 目前最新版本为9 0 可应用于FEM FDM FVM BEM 边界元法 及无网格法等分析软件的前 后处理数值模拟程序 SciFEA2 0版本集成了GID9 0作为前 后处理程序 GID相关详细介绍可登陆 与CAD软件的接口 复杂几何模型可由CAD软件绘制导入 支持IGES DXF VDA PARASOLID ACIS Step Shapefile Rhinoceros等数据格式 AutoCAD模型 GID模型 importing 超算有限元分析系统SciFEA 与CAE软件的接口 其它CAE软件的网格数据也可以直接导入SciFEA进行分析 支持NASTRAN STL VRML 3DStudio等格式 Patran网格 GID网格 导入 超算有限元分析系统SciFEA SciFEA计算功能 超算有限元分析系统SciFEA GID后处理 后处理支持的结果显示方式有 带状云图显示 等直线显示 切片显示 矢量显示 变形显示等等 结果可存储为BMP JPG等数据格式文件 可制作AVI MEPG格式动画 超算有限元分析系统SciFEA 超算有限元分析系统SciFEA 丰富的案例说明 易学易用 提供算例说明 动画演示 在线问题解答 上门培训 支持用户应用 SciFEA可信度保障措施 超算有限元分析系统SciFEA 基于严格的有限元理论进行软件设计采用装配式开发 通过软件模块重用增加可信度采用独立的数据结构 新增模块不影响既有模块通过算例将SciFEA计算结果和理论解进行验证在高校 科研单位建立软件测试站点 充分进行软件测试 机械领域 微机电系统模拟仿生机械系统模拟微纳加工技术模拟金属成型模拟工程设备模拟冲击与振动模拟 机械行业应用解决方案 基于SciFEA的数值模拟咨询 某大型汽车变速箱制造企业所制造的卡车变速箱在重载低速时 上坡 出现齿轮断裂 变速箱裂纹 损坏 通过有限元分析 计算 分析事故原因 准确找到破坏位置 并提出解决方案 该公司改善后 极大地提高了该款变速箱使用寿命 大型复杂结构计算 变速箱模型及网格划分变速箱计算位移云图 基于SciFEA的数值模拟咨询 某船舶制造企业为分析结构的变形 应力和稳定性 需要考虑各种对称结构 非对称结构 以及各种结构的组合 超算科技采用SciFEA软件对其中的结构进行了计算模拟 经验证 计算结果因为采用了最新的杂交元技术应力精度具有明显的优势 对称非对称结构组合 计算得到的组合结构的变形相交板结构变形 基于SciFEA的数值模拟咨询 天津科技大学机械学院为分析纸浆干燥用压力容器热变形和应力分布情况 SciFEA有限元分析软件分别进行了二维 三维数值模拟计算 采用应用单位提出的压力容器新的几何构型 分析过程按照纸浆干燥工艺系统的考虑了不同工况下压力容器的热变形和应力分布 热固耦合应力分析 内压下总位移云图温度边界下构件温度场分布云图 基于SciFEA的数值模拟咨询 可考虑空间金属结构 在逐步增加的侧向均布面载荷 准静态 作用下 结构不断产生挠曲变形 直至结构达到拉伸失稳条件而失去继续承载的能力 结构稳定性分析 基于SciFEA的数值模拟咨询 材料领域 热处理各物理量耦合关系 铸件凝固过程模拟 材料相变动力学的数值模拟 材料表面工程的的数值模拟 材料基础理论计算模拟辅助研究 焊接过程多相多场模拟分析 铸造过程温度 流动 组织生长 应力模拟 锻造过程塑性加工模拟 基于SciFEA的数值模拟咨询 渗碳热处理及材料扩散对于渗碳渗氮处理的合适的时间控制是改工艺的主要环节 时间短则表面性能达不到要求 时间长又会引起材料整体脆性增加 超算可以开发的材料扩散模块可以对各种材料的渗碳渗氮等扩散过程进行模拟 能计算模拟等到各不同时刻的扩散浓度和扩散深度 材料领域 渗碳热处理 扩散偶 扩散55 5天Cu原子质量分数分布图 基于SciFEA的数值模拟咨询 焊接溶解过程结合项目要求采用速度场保持法解决了随着熔点线推移 速度场扩大的问题 通过引入压力泊松方程 增加解的稳定性 采用GLS 稳定有限元 方法求解温度的对流扩散输运方程 克服的传统有限元计算此类问题的数值稳定性问题 同时我们采用准浓度法实现自由界面的跟踪 能够清晰地标识焊锡熔化交接位置 材料领域 焊锡熔化过程 基于SciFEA的数值模拟咨询 铸造超算科技根据铸件凝固的热物理模型 开发出考虑传导 对流 辐射 相变潜热 缩孔缩松影响的温度场 固相率场的数值模拟系统 可以反映出铸件凝固过程中温度场变化规律和铸件缺陷的主要特征 材料领域 模拟凝固10000S 20000S时的温度分布 基于SciFEA的数值模拟咨询 界面追踪 基于SciFEA的数值模拟咨询 结构破裂过程模拟 基于SciFEA的数值模拟咨询 流体光滑粒子模拟 基于SciFEA的数值模拟咨询 SciFEA船舶计算相关处理技术 SciFEA计算模拟相关技术 整体和局部迭代求解技术 焊接模拟生死单元 生死节点技术 建造过程模拟流固耦合模拟技术 船体晃动模拟并行计算模拟技术 整船变形应力模拟参数化建模技术 船体构件优化参数建模非线性求解技术 船体结构的稳定性 超算并行有限元分析系统的特点 适用于各种操作系统和各种架构并行机Linux Unix WCCS32 64位芯片Itanium Xeon AMD 各种网络互连方式 Ethernet InfiniBand Myrinet问题求解系统 适应于各个领域流体 固体 传热 电磁 多物理场耦合计算 SciFEA高性能计算 系统架构与部署 客户端 GUI PCWindowsLinux计算站 Compute 并行机LinuxUnix执行并行代码 SciFEA高性能计算 使用模式 SciFEA高性能计算 典型加速比 SciFEA高性能计算 北京超算高性能计算解决方案 采用并行机与并行有限元软件技术 用户可求解数百万 数千万甚至更多的自由度 满足用户大规模工程与科学计算分析的需要 为促进高性能计算技术在各领域的应用 以中国科学院并行计算技术为底蕴 北京超算面向各大学 科研院所和企业提供以下并行计算服务 1 并行数值模拟软件开发 2 并行数值模拟模块定制 3 并行软硬件环境配置服务 4 工程 科研项目并行计算支持 5 工程 科研并行数值模拟委托服务 6 工程 科研计算项目并行计算方案设计 四节点机群涡流计算 SciFEA高性能计算 GPU CPU协同并行计算技术 源于一个常识性的概念 普通的微机有两个处理器 1 CPU 称为中央处理器 2 GPU GraphicProcessingUnit 图形处理器 因常用于显示而称为显卡 殊不知 GPU具有强大的运算功能 显卡并行 SciFEA高性能计算 据GPU生产商官方数据 第三代CUDA处理器 C20系列最新的C20GPU 拥有30亿个晶体管 共有448个核 一块这样的GPU卡的双精度浮点运算性能可达到1万亿次每秒 Tflops TelsaC2060 可以用到普通的PC和工作站中 性能是957Gflops 万亿次 功耗只有250瓦 TelsaS20701U机架服务器 集成了4个GPU卡 共960个内核 性能达到4万亿次每秒 功耗只有1000瓦 而如果要达到相同计算性能 需要一个服务器集群才能实现 而功耗可能达到几万瓦 SciFEA高性能计算 材料破裂模拟计算 SciFEA高性能计算 材料烧结模拟计算 北京超算科技有限公司 SciFEA高性能计算 GPU计算的优势 不同规模时SciFEA GPU与普通CPU计算求解时间对比 SciFEA高性能计算 超算显卡并行软件是国内外首个支持GPU计算模拟的CAE软件 具有以下六个方面的优势 开创了桌面级超级计算完成同等计算量仅需十分之一的能耗超级计算机可象PC机一样维护计算规模越大相对速度越快一台抵十台 节约硬件投资计算按需选择