超算有限元分析系统开发及应用

超算有限元分析系统开发与应用报告人：钱华山博士时间：２０１０年6月内容提要

还需要开发有限元软件吗？

有限元软件开发的新思路

超算有限元分析系统SciFEA

基于SciFEA的数值模拟咨询

◆北京超算专注计算的团队还需要开发有限元软件吗？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软件是根据有限元方法编制的计算机软件有限元是二十世纪最有影响力的发明之一还需要开发有限元软件吗？有限元软件的重要性有限元技术可以渗透到科学研究的众多领域，已成为人们认识世界、解决实际问题的一种重要手段。有限元技术和一般工程技术的结合加速了创新设计和新产品开发。有限元软件反映了模拟分析现实问题的能力，是一种软实力。有限元软件对于加强基础认识、培养创新人才提供软环境。还需要开发有限元软件吗？有限元软件的发展趋势从单物理场分析到多物理场分析从正问题到更贴近需要的反问题从计算主导通用软件到设计主导专用软件从串行计算到并行计算还需要开发有限元软件吗？1.应用成本高、掌握困难4.

开发者和应用者之间的距离2.

有应用标准的行业少

有限元软件应用的主要困难3.

维护，升级，服务工作量大

还需要开发有限元软件吗？我们可以看到….

a.多物理场分析需要开发有限元软件b.专业化设计需要开发有限元软件c.大规模并行精细计算需要开发有限元软件d.应用简洁、易于维护需要开发有限元软件e.建立用户计算需求快速响应需要开发有限元软件f.自主创新设计需要开发有限元软件e.培养创新型、研究型人才需要开发有限元软件……还需要开发有限元软件吗？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国内有限元软件的开发现状有限元软件开发的新思路引进早期代码，消化吸收，再创新艰难自主研制，逐步积累，技术有亮点，商业化任重道远。下载最新源码，集成应用，偏于研究现有软件接口，受制于人模型语言*CharlesSimonyi,MIYTechnologyReview,Nov3,2003

“软件要像PowerPoint演示那样容易编辑”有限元软件开发的新思路描述：偏微分方程和有限元算法高级语言有限元语言自动生成有限元语言开发有限元程序有限元软件开发的新思路*梁国平，有限元语言，科学出版社，2009。一个例子：三维稳态热传导问题控制方程：边界条件：按照有限元方法，转化为下面的等价形式有限元软件开发的新思路dispucoorxyz

shapc8gaus2mateekeqstifdist=+[u/x;u/x]*ek+[u/y;u/y]*ek+[u/z;u/z]*ek

load=+[u]*eq

end 有限元语言描述的方程有限元软件开发的新思路defi!定义物理场aell!a场采用椭圆方程求解STARTCa!初始化a场SOLVCa!求解a场 有限元语言

描述的算法有限元软件开发的新思路基于有限元语言的有限元软件开发编写有限元文件得到Fortran源码仿真与模拟开发有限元软件描述微分方程表达式描述有限元算法提交并行计算计算结果分析利用源码开发专用领域计算软件自主研发与创新编写有限元文件得到Fortran源码仿真与模拟开发有限元软件基于MPI的分布式并行程序基于OpenMP的共享内存并行程序有限元软件开发的新思路有限元软件装配式开发有限元软件开发的新思路模块独立，每个模块包括单个问题完整的计算功能（初始化、单元计算、求解等）界面可编辑、扩展不受具体内容的限制。没有复杂的流程分支、操作简洁有标准开发流程和可扩展构件、人人可以参与装配式开发的特点有限元软件开发的新思路由模型和算法快速响应数值模拟计算内容建立了面向多物理耦合分析架构模块独立可为各领域计算专业化提供引擎适应于大规模计算应用SciFEA系统结构系统界面计算模块前后处理网格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界面可定义编辑文字即可定义界面超算有限元分析系统SciFEAUdm快速集成可执行文件、命令流文件等计算功能可快速集成超算有限元分析系统SciFEA模块独立可执行文件、命令流文件等计算功能可快速集成模块覆盖多个领域超算有限元分析系统SciFEA超算有限元分析系统SciFEA多物理场框架物理场个数、每个物理场的自由度数、材料参数物理场的耦合方式均可以用户定义。超算有限元分析系统SciFEA多物理场框架物理场个数、每个物理场的自由度数、材料参数物理场的耦合方式均可以用户定义。超算有限元分析系统SciFEA工具条随需应变选择好计算模块后，逐个点选工具条按钮即可实现相应的有限元计算。工具条根据用户选择的问题类型激发相应的计算功能。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。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/index.html进行查阅。GID特点通用性：在科研及工程应用领域均可有很好的应用；适用性：GiD

与其它数值模拟程序有非常好的兼容性，

根据用户需要可量身定做菜单；友好的用户界面：GID的发展定位于界面的简洁、高

效性，可针对性的满足用户对数据的输入及

结果的可视化需求。超算有限元分析系统SciFEAGID前处理建模具有其它CAE软件前处理部分常规建模功能，可以直接构造矩形、多边形、圆、球、圆柱、圆锥、棱柱、圆环等，也可以通过拉伸、旋转、镜像、缩放、偏置等操作得到面、体；支持布尔操作。超算有限元分析系统SciFEAGID前处理与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,Shapefile,Rhinoceros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GID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生成网格功能

GID可快速将几何模型自动离散成线单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元等，可以根据用户的需要对网格进行局部的加密以及网格阶次的选择。超算有限元分析系统SciFEAGID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SciFEASciFEA比较优势SciFEA其他软件使用简单操作界面多模块独立模块是整个系统的一部分易于扩展牵一发而动全身耦合快速并购,不同软件的艰难融合超算有限元分析系统SciFEASciFEA应用价值超算有限元分析系统SciFEA计算模块完全独立，用户只须选择关心的计算模块，降低应用成本没有复杂的模型选择分支，操作简单易行全中文菜单，便于理解和应用丰富的计算实例，用户以实例为向导，可快速上手超算团队熟悉有限元计算整个流程，可为用户在计算模拟的各环节提供支持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。基于SciFEA的数值模拟咨询地质领域基于有限元的地震波模拟；岩石损伤与破裂机理模拟；地震孕育与触发机理模拟；孔隙介质变形与动力过程模拟；地震发生的力学稳定性问题；地震导致的强地面运动分析；地质运动与前陆盆地形成机理研究。超算地质行业解决方案基于SciFEA的数值模拟咨询石油领域超算石油行业解决方案钻井过程的井壁稳定性；地震波正演与反演分析；套损机理数值模拟研究；油田生产开发油藏模拟；

基于SciFEA的数值模拟咨询建筑领域超算建筑结构行业解决方案岩土与地下工程开发利用中的数值模拟；建筑物、构筑物和地基基础的相互作用模拟；岩土本构模型的研究与计算模拟分析；建筑结构与各种荷载、质量单元的相互耦合作用；基于材料非线性的力学稳定性分析；基于几何非线性的动力稳定性分析。基于SciFEA的数值模拟咨询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的数值模拟咨询技术服务方向

SciFEA已有模块的数值模拟应用；

SciFEA已有模块和物理量的耦合；

SciFEA用户自定义模块的开发;

基于SciFEA的用户模块的集成;

以用户需求为主的有限元软件定制;参数化建模;计算数据软件接口……(1)地震波场数值模拟各向同性弹性介质；横观各向同性弹性介质；各向异性弹性介质；粘弹性介质（Kelvin模型、Maxwell模型、标准线性体、Burgers体）；双向介质（Biot模型）。可采用谱元法进行模拟。地质与地球物理模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(2)地震形变采用软弱带表示的断层模型、接触模型或断层节点分裂方法进行地震同震变形和震后变形模拟。震后形变可考虑震后余滑、粘弹性松弛和孔隙回跳。可考虑不同时刻的断层启动、倾斜断层、地表不均匀地形、不均匀的地温分布。地质与地球物理模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(3)地震孕育与触发可采用弹塑性模型、线性流变体模型、孔隙介质模型模拟地震孕育、发生、发展动态过程；可采用接触模型描述大震断层的破裂、错动和应力的释放的动力过程；用户自定义摩擦模型和断裂准则。地质与地球物理模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(4)造山运动与地壳变形采用的模型可以包括线性模型和非线性模型，介质可以采用理想刚塑性体、线性粘滞体、非线性粘滞体、非线性粘塑性体。几何方程可以采用小变形或大变形，对于大变形问题，可采用任意拉格朗日－欧拉描述（ArbitraryLagrangian-Eulerian,ALE）方法进行计算模拟。可以采用LDDA方法考虑地壳运动的不连续变形。地质与地球物理模拟基于SciFEA的数值模拟咨询

(5)盆地演化盆地形成应力场演化以及油气运移、地堑和非对称盆地演化、地堑断裂、沉积盆地分层弹性-粘弹性模型、盆地沉降过程及构造应力场变化。

(6)地幔对流可考虑实际地幔介质表现为非均匀性，非牛顿蠕变性，以及非Boussinesq效应的固体相变。地质与地球物理模拟基于SciFEA的数值模拟咨询

(1)盆地成藏模拟模拟多条断层的古热力场，古水动力场，古生物和化学反应场的时空演化过程，并考虑三种场的相互作用。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(2)出砂与井眼稳定性考虑岩石力学、井周出砂、渗流耦合效应，分析井眼周围和泥砂相互间的影响变化，分析井口出砂对地层应力和套管变形、应力的影响。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(3)特殊地质条件油藏模拟裂缝油藏、溶洞油藏、双重介质、三重介质油藏模拟、水平井、多分支井油藏模拟。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(4)流固耦合模拟可考虑岩石的弹性变形、弹塑性变形和油相、水相压力与饱和度的相互影响，模拟油田开发过程中套管的变形和应力。流体渗流模型可考虑单相、油水两相、油气两相、黑油模型、组分模型。模拟的开采过程包括开关井、压力调整。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询

(5)岩盐蠕变与套管变形分析根据实验得到的岩盐蠕变本构模拟得到套管外载随时间的变化。考虑盐岩的线性和非线性流变，可采用Bingham模型、Burgurs模型等理论模型。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(6)非线性、各向异性渗流分析渗流在高速或低速时均表现出非达西渗流的特性，包括启动压力的现象、渗透性和压力相关等。采用有限元方法可以模拟非达西渗流的流动特性以及由此造成的对油田生产的影响。石油地质力学模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(1)地面沉降分析采用孔隙介质流固耦合理论可以模拟在建筑物压力作用下土的固结变形和孔隙水压力的变化。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(2)基础沉降分析考虑了塔楼-地基-基础的相互作用，对地基沉降、地基反力、基础片筏和塔楼梁、柱的变形和内力进行模拟。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(3)地下水渗流分析可采用自由面的死（活）结点法计算渗流场。可用来计算正常蓄水位下的坝区稳定渗流场，也可考虑地下水向岩溶管渗情况。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(4)冻结法施工模拟计算模拟渗流、温度和相变耦合作用的隧道开挖过程中不同散热条件下冻土壁厚，温度分布，渗流场变化。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(5)结构稳定性分析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。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询(6)特殊结构应力计算在实际工程中往往遇到一些特殊的结构，如带刚性杆的梁和变截面的梁、索单元、只能承拉或只能承压的单元。可帮助用户定制特殊类型的计算单元。建筑市政工程模拟基于SciFEA的数值模拟咨询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基于SciFEA的数值模拟咨询四节点机群涡流计算

北京超算科技有限公司成立于2006年，是注册于中关村科技园区，专注于工程与科学计算软件开发、销售、咨询的高新技术企业。公司本着服务用户的原则，帮助用户采用有限元等数值模拟技术进行工程分析与科研创新。公司不断与各研究单位广泛合作，采用用户需要的计算模型和计算方法，针对性地帮助用户解决产品开发和工程设计中遇到计算分析问题。同时公司关注最新的计算技术和计算机技术，持之以恒地提供用户高效能的模拟分析软件和咨询服务。公司和各工程领域的企业密切合作，建立采用计算机模拟促进产品开发和工程设计的流程，促进理论、实验、计算模拟的协同发展。

北京超算简介北京超算专注计算的团队团队丰富的有限元开发应用经验：研发团队的成员来自固体力学、流体力学、水工结构、地质力学、岩土力学、工程力学等专业，硕士以上学历员工占总员工数的70%以上。最长具有二十年有限元开发和应用经验。支持中心：清华大学固体力学所、中科院研究生院、北京交通大学、北京理工大学

合作伙伴：中国科学院力学研究所、北京大学、北京工业大学、同济大学优先发展的业务领域：机械、水利、岩土、地质与地球物理、石油勘探开发、航空航天、国防军工、材料加工、电子电气等领域的工程与科学计算模拟。公司的人才储备及业务领域北京超算专注计算的团队基于节点分裂算法的粘弹性震后变形模拟、孔隙弹性介质地震错动孔压变化模拟；纸浆干燥用压力容器热应力变形和应力分析；铸件凝固过程温度场及变形应力场分析；油水井套损机理研究和磁测应力解释软件研制；低渗透油藏开发套损机理研究和数值模拟；节点分裂弹性同震变形与应力；PCCP管有限元分析与测试；瓦斯突出流固耦合模拟；基于力学稳定性理论的井壁稳定性分析；高层建筑底盘片筏基础变形与应力分析；……北京超算目前成功实施的部分项目北京超算专注计算的团队北京超算业务内容北京超算专注计算的团队公司以有限元数值模拟为主要业务方向，以中国科学院、北京大学、清华大学的技术支持为底蕴，面向各高等院校、研究院所和企业开展有限元软件开发和技术服务。公司主要业务包括：SciFEA软件开发、销售与技术服务；专业有限元软件技术开发与模块定制；有限元计算委托服务；有限元前后处理接口定制；有限元参数化建模；有限元并行计算软件开发与技术服务；专业前后处理器GiD销售与咨询；专业有限元开发工具FEPG销售与咨询；专业有限元模块集成；SciFEA软件嵌入式开发与应用。部分典型用户河南万里路桥集团中科院海洋研究所中科院地质与地球物理所中科院青藏高原研究所中国地质科学院中国地震局地质力学所中国石油大学（华东）中国石油大学（北京）大庆钻探集团测井公司大庆油田设计研究院大庆榆树林油田清华大学中科院研究生院北京交通大学北京理工大学中国矿业大学浙江工业大学深圳凯迪照明设备公司北京航空航天大学中石油钻井工程研究院天津科技大学中国水利水电科学研究院中科院南海海洋研究所大庆石油学院中国地震局地质研究所安徽理工大学太原理工大学航天二院中国电子集团公司13所山东科技大学嘉兴合叉叉车有限公司福州大学新疆水利水电设计研究院

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“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。CPU，中央处理器GPU，图形处理器（显卡)接屏幕的端口内置显卡CPU什么是显卡并行？1、GPU的设计思想与CPU不一样CPU：尽可能快完成一项任务，再去做下一项任务【串行】GPU：同时完成尽可能多的任务，然后结束工作【并行】

2、GPU与CPU拥有不同的处理器微架结构CPU：很少晶体管（ALU)用于计算，大部分用于动态存储GPU：大部分晶体管(ALU)用于计算，极少部分用于存储DRAMCacheALUControlALUALUALUDRAMCPU的微架构示意图ALU-用于计算的晶体管GPU的微架构示意图ALU什么是显卡并行？

随着计算机技术的发展，通过开发GPU（显卡）的强大运算功能，使GPU参与计算，可以大幅度提高计算机运算能力和效率，业界将之称为“GPU\CPU协同并行计算”，简称“CPPC”技术。什么是显卡并行？CPUGPU

现在用于计算的高性能GPU称为“大规模多线程并行处理器”或叫“GPU计算机”。目前最先进的GPU实物照片TeslaS10701U系统什么是显卡并行？硬件环境一台家用台式机+一颗GPU处理器（据GPU生产商官方数据）240核4核第二代CUDA处理器——T10系列

最新的T10GPU，拥有14亿个晶体管，共有240个核，一块这样的GPU卡的浮点运算性能可达到1万亿次每秒（Tflops），而现在一颗四核CPU只有每秒700亿次浮点计算。TeslaS10701U系统TelsaC1060，可以用到普通的PC和工作站中，性能是957Gflops（万亿次），功耗只有160瓦。TelsaS10701U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700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什么是显卡并行？如果：1、全部是浮点运算（实际情况不可能）2、GPU的主频足够高（目前主频还不高）1个TeslaS1070模块（960核）GPU计算能力，相当于960台单核CPU的计算能力，如果一个机柜装24台，相当于40个机柜！什么是显卡并行？GPU计算发展迅速CUDA：专门针对GPU的类C语言开发工具对于高性能并行计算而言，硬件和软件是不可分割的两大支撑。新的GPU架构可以用C语言来编程，还将支持Fortran语言。“CUDA在GPU多核并行计算中起到的作用就好比是军队里的将军一样，通过它来保证并行高效有序地实现。”用户借助CUDA可以更加方便地使用GPU计算。CUDA有英文、中文、日文、韩文和西班牙语等多个版本，支持Linux、Windows、MacOS等多种操作系统，全球有50多所