超算并行有限元分析系统开及船舶系统应用课件

1、超算并行有限元分析系统超算并行有限元分析系统(SciFEA)(SciFEA)开发及船舶系统应用开发及船舶系统应用2012年年5月月内容提要内容提要超算有限元分析系统超算有限元分析系统SciFEASciFEA和船舶系统相关应用和船舶系统相关应用 北京超算并行计算解决方案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数值求解偏微分

2、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有限元是二十世纪最有影响力的发明之一林群院士林群院士专业化是有限元软件的重要发展方向专业化是有限元软件的重要发展方向u集设计、分析和优化于一体u以产品设计为主导, 分析和优化作为设计的核心计算支撑u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系统结构系统结构系统界面系统界面计计算算模模块块前前后后处处理理网格数据网格数据结果数据结果数据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

3、 (The International Center for Numerical Methods in Engineering)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。SciFEA2.0SciFEA2.0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进行查阅。与与CADCAD软件的接口软件的接口 复杂几何模型可由复杂几何模型可由CADCAD软件绘制导入软件绘制导入, ,支持支持IGES, DXF, VDA, PARASOIGES, DXF, VDA, PARASOLID, ACIS, Ste

4、p,Shapefile, RhinocerosLID, ACIS, Step,Shapefile, Rhinoceros等数据格式。等数据格式。AutoCADAutoCAD模型模型GIDGID模型模型importingimporting超算有限元分析系统SciFEA与与CAECAE软件的接口软件的接口其它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, 3D Studio等格式。PatranPatran网格网格GIDGID网格网格导导入入超算有限元分析系统SciFEASciFEA计算功能计算功能超算有限元分析系统SciFEA结构结构计算计算弹弹

5、性性计计算算塑性塑性计计算算流体流体计计算算材料计算材料计算动力学动力学电磁计算电热力计算 热热固耦合固耦合传热计传热计算算稳定性计算稳定性计算岩土计算断裂计算断裂计算水热力耦合粘弹性计算GIDGID后处理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可信度保障措施可信度保障措施超算有限元分析系

6、统SciFEA基于严格的有限元理论进行软件设计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通过算例将SciFEASciFEA计算结果和理论解进行验证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。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

7、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应力精度精度具有明显的优势。 对称非对称结构组合对称非对称结构组合 计

8、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。结构稳定性分析结构稳定性分析基于SciFEA的数

9、值模拟咨询材料领域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。材料领域材料领域渗碳热处理 扩散偶，扩散55.5

10、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。 材料领域材料领域焊锡熔化过程基于SciFEA的数值模拟咨询铸造铸造 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

11、要特征。材料领域材料领域模拟凝固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整体和局部迭代求解技术焊接模拟焊接模拟生死单元、生死节点技术生死单元、生死节点技术建造过程模拟建造过程模拟流固耦合模拟技术流固耦合模拟技术船体晃动模拟船体晃动模拟并行计算模拟技术并行计算模拟技术整船变形应力模拟整船变形应力模拟参

12、数化建模技术参数化建模技术船体构件优化参数建模船体构件优化参数建模非线性求解技术非线性求解技术船体结构的稳定性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适用于各种操作系统和各种架构并行机 Linux, Unix, WCCSLinux, Unix, WCCS 32/6432/64位芯片位芯片 ItaniumItanium，XeonXeon，AMDAMD 各种网络互连方式，各种网络互连方式，Ethernet, InfiniBand, MyrinetEthernet, InfiniBand, Myrinet 问题求解系统，适应于各个领域问题求解系统，适应于各个领

13、域 流体、固体、传热、电磁流体、固体、传热、电磁 多物理场耦合计算多物理场耦合计算SciFEA高性能计算系统架构与部署客户端客户端(GUI) PC Windows Linux计算站计算站(Compute) 并行机 Linux Unix 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

14、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-Graphic Processing Unit,“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。CPU，中央处理器GPU，图形处理器（显卡)接屏幕的端口内置显卡CPUC

15、PU显卡并行显卡并行SciFEA高性能计算（据GPU生产商官方数据）第三代第三代CUDA 处理器处理器C20系列系列最新的最新的C20GPU，拥有，拥有30亿个晶体管，共有亿个晶体管，共有448个核，个核，一块这样的一块这样的GPU卡的双精度浮点运算性能可达到卡的双精度浮点运算性能可达到1万亿次每万亿次每秒（秒（Tflops）。）。Tesla S1070 1U 系统系统Telsa C2060Telsa C2060，可以用到普通的，可以用到普通的PCPC和工和工作站中，性能是作站中，性能是957Gflops957Gflops（万亿次），功耗只有（万亿次），功耗只有250250瓦。瓦。Telsa

16、S2070 1U机架服务器，集成了机架服务器，集成了4个个GPU卡，共卡，共960个内核，性能达到个内核，性能达到4万亿次每秒，功耗只有万亿次每秒，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群才能实现，而功耗可能达到几万瓦4 核448核SciFEA高性能计算材料破裂模拟计算材料破裂模拟计算SciFEA高性能计算材料烧结模拟计算材料烧结模拟计算北京超算科技有限公司北京超算科技有限公司SciFEA高性能计算GPU计算的优势计算的优势不同规模时不同规模时SciFEA-GPUSciFEA-GPU与普通与普通CPUCPU计算求解时间对比计算求解时间对比SciFEA高性能计算超算显卡并行超算显卡并行软件软件是国内外首个支持是国内外首个支持GPUGPU计算模拟计算模拟的的CAECAE软件，具有软件，具有以下六个方面以下六个方面的优势：的优势： 开创了开创了桌面级超级计算桌面级超级计算 完成完成同等同等计算量计算量仅需仅需十分之一的能耗十分之一的能耗 超级计算机超级计算机可可象象PCPC机一样维护机一样维护 计算规