高性能的CAE软件课件

高性能的CAE软件一、预设、剖析、优化一体化是CAE软件的关紧趋势科学技术的进展进步提高对产品质性格能提出了越来越高的要求，产品更新的周期也不断加快。因此加剧了产品研究制造过程的复杂性。对于新产品的预设和加工，预设担任职务的人期望不仅是在计算机军衔产品描写出来，更期望：“不需要实在把设施造出来，只要在计算机里施行摹拟就可以发觉不充足、趁早修正”。也就是说在出产曾经对预设方案借助计算机摹拟成功实现非常准确的尝试、剖析和论证，因此达到优化预设，这就是计算机匡助工程，即CAE（ComputerAidedEngineering）。CAE应当是涵盖产品预设、工程剖析、数值管理、尝试、仿真、优化和制作的一个综合过程，在三维实体建模的基础上，从产品的预设阶段着手，按实际条件施行仿真剖析，对产品的各项（力学、热学、电磁、流动等）有关性能施行预设、优化和综合名声，以便取得最佳方案，给出优化预设。CAE技术可以帮忙用户改进产品预设、缩减预设周期，减损样机尝试的周期和成本。CAE技术已渐渐为更多的工程预设担任职务的人意识、应用。到现在为止，越来越多的计算机匡助手眼被应用于各类别工程，萌生了一系列技术分支，如计算机匡助预设CAD（ComputerAidedDesign）、计算机匡助尝试CAT（ComputerAidedTest）、计算机匡助工艺过程预设CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）以及计算机匡助制作CAM（ComputerAidedManufacturing）等，这些个技术都是为了满意工程预设的需求，可以统称为CAE技术。CAE技术的进展发展方向可以赅括为，认为合适而使用最先进的信息技术，吸纳最新的科学知识和办法离，所以CAE软件的应用效果不理想。几十人的预设队伍中，往往仅有一两名工程师用得好。以用户专业预设为导向的CAE软件需要将增进预设和剖析整合。数量多的预设担任的工作是在很多有可能方案中依照优化目的挑选最优方案，而到现在为止的大多软件都没有办法半自动完成此方面的办公，需求众多的人工过问和剖析。剖析和优化软件及技术的进展可以最后增进CAE软件各局部的合成一体，最后形成预设-剖析-优化一体的计算机匡助产品虚拟研发系统。二、CAE软件与高性能计算当今国际，两大芯片制作商AMD和Intel都推出了双核CPU，日后还要推出四核、八核CPU。这意味着私人的桌面儿工作系统硬件如今就可以成功实现高性能计算，在不远的日后，私人桌面儿系统的处置有经验甚至于可以超过现时几十个，上百个CPU的处置有经验。高性能计算的硬件成本已经减退到预设研讨小组甚至于私人都可以接纳的程度。高性能计算已变成一个事实的挑选。在软件方面，为了满意预设、剖析、优化一体化的需求，定然要求CAE软件的一体化。思索问题集成优化的CAE软件定然带来计算量的迅速提高。为适合于更非常准确、更迅速地获得预设的优化方案，研发预设、剖析、优化一体化高性能CAE软件是现时高性能计算硬件资源能以大众可接纳的价钱取得的事情状况下的一个定然挑选。CAE软件并行化的中心是高性能数字计算。高性能数字计总算解决大规模、复杂的科学与工程计算问题，如油气藏的探勘与研发，全世界气候学的摹拟，地球动力学与模块运动研讨，航空航天飞行器的预设研发等等的先决条件。高性能计算到现在为止已经变成国际上科学与工程计算的一个主流趋势。高性能数字计算，固然通过了30年的进展过程，因为技术本身的艰难和复杂程度，到现在为止在并行算法、并行计算背景、并行计算机的软件预设和研发技术等领域还是极具挑战性，是现时工程与科学数字摹拟的最前沿性课题。很多高校或研讨院设立了学科的数字摹拟核心或是高性能计算核心，或隶属学科重点实验室，开展各自领域内的数字摹拟问题目解释题决方案的开发办公。不过，认为合适而使用传统手眼施行高性能计算软件的研发，其困难程度和办公量都很大，不可以满意现时高性能计算软件需要的迅速提高。高性能计算的需要提高迅猛，指导着有关的硬件技术和软件技术向前进展，硬件进展的速度紧跟需要的进展，到现在为止正从一百万亿次向务必亿次迈进。高性能计算软件的进展则远远落在后面，高性能计算软件的进展是普及高性能计算的关键。这是一个挑战，也是一次机会。在CAE软件方面，我们居于可以变更到现在为止CAE软件格局的道口。三、CAE软件研发与手续半自动生成在传统CAE软件研发中数字摹拟计算局部一般消针对一个三维稳态导热问题，认为合适而使用有限元手续半自动生成系统(FEPG)供给的有限元语言，用户只需给出数理板型及其算法即可生圆成部有限元计算源代码。我们从稳态导热扼制方程动身并如果求解边界条件为：依照有限元办法，转化为虚功方程的弱方式：（*）描写偏微分方程等价弱方式的有限元语言文本(右面书契为注释行)：dispuu代表未知函数名,此例中代表温度coorxyz给出总体坐标系下的坐标变量X，Y，Zshapc8c表达六面体单元，8表达8絴趞点单元gaus2给出每个方上进积分点的个数mateekqek,eq为材料参变量名，后面可给定相应值空一行stif给出刚度矩阵dist=+[u/x;u/x]*ek+[u/y;u/y]*ek+[u/z;u/z]*ek对应于方程（*）中的左端项空一行load=+[u]*q给出负荷矢量，对应于方程（*）中的右端项空一行end终了符描写算法的有限元语言文本Defi着手定义物理场aell定义a场ell表达认为合适而使用鸭子蛋圆算法求解空一行STARTCa起初化a场SOLVCa求解a场连署算法和偏微分方程弱方式的有限元语言文本：PDE文件名空一行#elemtypec8单元类型3dxyz坐标系认为合适而使用有限元语言描写三维稳态导热，它的书写方式物理意义明确，代码量远远低于直接认为合适而使用FRORTRAN/C编程。填写好这些个文本后，即可经过有限元相对独立的通讯子系统施行消息儿传交、迭代施行计算求解。最终整个儿求解地区范围的最后结果由各个子地区范围的计算最后结果叠加获得，完成并行有限元计算。高级语言（并行有限元计算FORTRAN手续）有限元语言(描写：偏微分方程和有限元算法)pFEPG系统图2.1pFEPG并行手续生成概况图pFEPG生成并行手续的思考的线索和FEPG是绝对完全一样的，所不一样的是pFEPG生成手续时需求再参加通信的元件或手续断片。但对用户来说，由pFEPG生成并行手续与由FEPG生成并行手续两者用的是相同的公式，可以成功实现从串行计算到并行计算的软件自由进阶。3.3应用pFEPG研发高性能数字计算软件实际的例子3.3.1水泥毁损大型水利工程水电工程中需求运用数量多的水泥材料，水泥材料的强度对水利工程结构的强度和牢稳性有非常大的影响。中国水利工程水电科研院抗震核心研讨认为合适而使用pFEPG摹拟水泥动力巩固的非线性细观力学毁损演变。用户利用pFEPG生成的并行计算摹拟手续，对思索问题水泥细观力学毁损演变时的静载、动载、有静预载的动载等各种事情状况施行了摹拟，创建了此方面的并行摹拟研讨，增进了水泥非线性细观力学毁损演变的研讨。计算先认为合适而使用有限元手续半自动生成系统（FEPG）生成单机计算手续；再用并行有限元手续半自动生成系统（PFEPG）生成并行计算手续。两个手续生成过程用的是相同的有限元公式。由FEPG生成单机计算手续，从准备文件到调整成功用时两周。用PFEPG生成并行有限元计算手续，用时仅几天时间。计算类型CPU个数有限元计算耗时10钟头12分钟并行计算32个1钟头51分钟表2.2并行计算和单机计算的比较（注：单机计算时，FEPG生成时思索问题算法优化）3.3.2拱坝动力剖析中国水利工程水电科研院认为合适而使用pFEPG生成了摹拟小湾拱坝对地震负荷的动力学响应的并行计算手续，且思索问题水及泥沙在动力剖析中引动的附带加上品质，思索问题山体和坝体上的断层和裂隙，同时还思索问题了温度对坝体的影响。计算获得小湾拱坝在地震效用下的变型、应力、速度和加速度散布。图2.3小湾拱坝计算板型及剖析最后结果经过并行计算时间计数可以发觉，认为合适而使用并行计算可以大大加快用户数字摹拟的速度。推动复杂工程安全性能剖析与名声。配备布置单机：win2000操作系统cpu：p43.0GHz（×1）RAM：1.0G（×1）并行机：linux操作系统cpu：p43.0GHz（×4）RAM：1.0G（×4）用时13钟头2钟头44分表2.4小湾拱坝并行计算时间计数3.3.3喷出岩出现裂缝剖析东北大学喷出岩出现裂缝与失稳研讨核心应用pFEPG完成了喷出岩出现裂缝与失稳数字摹拟软件的并行版。喷出岩出现裂缝与失稳数字摹拟可以应用在隧洞、矿山、地下车间等大型工程的牢稳性剖析中。实际复杂三维工程条件下，计算量十分很大。东北大学喷出岩出现裂缝与失稳研讨核心起初研发的二维计算摹拟软件需求向三维并行化进展。认为合适而使用pFEPG系统，用户在短短的几个月时间完成了从二维到三维并行的研发办公，是应用pFEPG系统形成领域应用的腾6800中国科学校网络核心IBM南开之星南开大学浪潮天梭TS武汉大学HP并行机河海大学SGI并行机上海交通大学SUN并行机中国水利工程水电科研院PC-Cluster平台北京飞箭软件有限企业表2.6pFEPG应用的各种高性能计算机机型四、联手研发高性能CAE软件的总体思考的线索CAE技术是一项综合的技术。高性能CAE软件的研发与进展更是需求工程应用领域资深专家、计算资深专家、软件资深专家和优化资深专家的紧急交流与协作。集中各领域资深专家的优势，经过高性能CAE软件这么一个载体成功实现“知”本向劳动力的转化，形成我国高性能CAE软件迅速进展的极新局面。施行高性能CAE软件建设是渐渐推进的过程，我们设想大体可以分为基础普及、应用需要交流、领域库研发、工程与科学高性能计算应用四个阶段。这四个阶段互有交错和渗透。譬如在施行高性能CAE软件建设基础普及阶段可以就有关领域施行应用需要交流。另一方面，各阶段又有一定的秉承性，前期的办公没有做好，便会影响后一阶段的办公。除基础普及阶段外，剩下三个阶段可以按领域同时并行施行。第1阶段基础普及阶段，涵盖的内部实质意义有：1．高性能CAE软件建设的宣传和信息宣布。2．高性能CAE软件建域的高性能CAE软件建设。第四阶段工程与科学高性能计算应用阶段，涵盖的内