高性能的CAE軟件課件

高性能的CAE軟件一、預(yù)設(shè)、剖析、優(yōu)化一體化是CAE軟件的關(guān)緊趨勢科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)步提高對產(chǎn)品質(zhì)性格能提出了越來越高的要求，產(chǎn)品更新的周期也不斷加快。因此加劇了產(chǎn)品研究制造過程的復(fù)雜性。對于新產(chǎn)品的預(yù)設(shè)和加工，預(yù)設(shè)擔(dān)任職務(wù)的人期望不僅是在計(jì)算機(jī)軍銜產(chǎn)品描寫出來，更期望：“不需要實(shí)在把設(shè)施造出來，只要在計(jì)算機(jī)里施行摹擬就可以發(fā)覺不充足、趁早修正”。也就是說在出產(chǎn)曾經(jīng)對預(yù)設(shè)方案借助計(jì)算機(jī)摹擬成功實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的嘗試、剖析和論證，因此達(dá)到優(yōu)化預(yù)設(shè)，這就是計(jì)算機(jī)匡助工程，即CAE（ComputerAidedEngineering）。CAE應(yīng)當(dāng)是涵蓋產(chǎn)品預(yù)設(shè)、工程剖析、數(shù)值管理、嘗試、仿真、優(yōu)化和制作的一個綜合過程，在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的預(yù)設(shè)階段著手，按實(shí)際條件施行仿真剖析，對產(chǎn)品的各項(xiàng)（力學(xué)、熱學(xué)、電磁、流動等）有關(guān)性能施行預(yù)設(shè)、優(yōu)化和綜合名聲，以便取得最佳方案，給出優(yōu)化預(yù)設(shè)。CAE技術(shù)可以幫忙用戶改進(jìn)產(chǎn)品預(yù)設(shè)、縮減預(yù)設(shè)周期，減損樣機(jī)嘗試的周期和成本。CAE技術(shù)已漸漸為更多的工程預(yù)設(shè)擔(dān)任職務(wù)的人意識、應(yīng)用。到現(xiàn)在為止，越來越多的計(jì)算機(jī)匡助手眼被應(yīng)用于各類別工程，萌生了一系列技術(shù)分支，如計(jì)算機(jī)匡助預(yù)設(shè)CAD（ComputerAidedDesign）、計(jì)算機(jī)匡助嘗試CAT（ComputerAidedTest）、計(jì)算機(jī)匡助工藝過程預(yù)設(shè)CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）以及計(jì)算機(jī)匡助制作CAM（ComputerAidedManufacturing）等，這些個技術(shù)都是為了滿意工程預(yù)設(shè)的需求，可以統(tǒng)稱為CAE技術(shù)。CAE技術(shù)的進(jìn)展發(fā)展方向可以賅括為，認(rèn)為合適而使用最先進(jìn)的信息技術(shù)，吸納最新的科學(xué)知識和辦法離，所以CAE軟件的應(yīng)用效果不理想。幾十人的預(yù)設(shè)隊(duì)伍中，往往僅有一兩名工程師用得好。以用戶專業(yè)預(yù)設(shè)為導(dǎo)向的CAE軟件需要將增進(jìn)預(yù)設(shè)和剖析整合。數(shù)量多的預(yù)設(shè)擔(dān)任的工作是在很多有可能方案中依照優(yōu)化目的挑選最優(yōu)方案，而到現(xiàn)在為止的大多軟件都沒有辦法半自動完成此方面的辦公，需求眾多的人工過問和剖析。剖析和優(yōu)化軟件及技術(shù)的進(jìn)展可以最后增進(jìn)CAE軟件各局部的合成一體，最后形成預(yù)設(shè)-剖析-優(yōu)化一體的計(jì)算機(jī)匡助產(chǎn)品虛擬研發(fā)系統(tǒng)。二、CAE軟件與高性能計(jì)算當(dāng)今國際，兩大芯片制作商AMD和Intel都推出了雙核CPU，日后還要推出四核、八核CPU。這意味著私人的桌面兒工作系統(tǒng)硬件如今就可以成功實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，在不遠(yuǎn)的日后，私人桌面兒系統(tǒng)的處置有經(jīng)驗(yàn)甚至于可以超過現(xiàn)時幾十個，上百個CPU的處置有經(jīng)驗(yàn)。高性能計(jì)算的硬件成本已經(jīng)減退到預(yù)設(shè)研討小組甚至于私人都可以接納的程度。高性能計(jì)算已變成一個事實(shí)的挑選。在軟件方面，為了滿意預(yù)設(shè)、剖析、優(yōu)化一體化的需求，定然要求CAE軟件的一體化。思索問題集成優(yōu)化的CAE軟件定然帶來計(jì)算量的迅速提高。為適合于更非常準(zhǔn)確、更迅速地獲得預(yù)設(shè)的優(yōu)化方案，研發(fā)預(yù)設(shè)、剖析、優(yōu)化一體化高性能CAE軟件是現(xiàn)時高性能計(jì)算硬件資源能以大眾可接納的價錢取得的事情狀況下的一個定然挑選。CAE軟件并行化的中心是高性能數(shù)字計(jì)算。高性能數(shù)字計(jì)總算解決大規(guī)模、復(fù)雜的科學(xué)與工程計(jì)算問題，如油氣藏的探勘與研發(fā)，全世界氣候?qū)W的摹擬，地球動力學(xué)與模塊運(yùn)動研討，航空航天飛行器的預(yù)設(shè)研發(fā)等等的先決條件。高性能計(jì)算到現(xiàn)在為止已經(jīng)變成國際上科學(xué)與工程計(jì)算的一個主流趨勢。高性能數(shù)字計(jì)算，固然通過了30年的進(jìn)展過程，因?yàn)榧夹g(shù)本身的艱難和復(fù)雜程度，到現(xiàn)在為止在并行算法、并行計(jì)算背景、并行計(jì)算機(jī)的軟件預(yù)設(shè)和研發(fā)技術(shù)等領(lǐng)域還是極具挑戰(zhàn)性，是現(xiàn)時工程與科學(xué)數(shù)字摹擬的最前沿性課題。很多高?；蜓杏懺涸O(shè)立了學(xué)科的數(shù)字摹擬核心或是高性能計(jì)算核心，或隸屬學(xué)科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開展各自領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)字摹擬問題目解釋題決方案的開發(fā)辦公。不過，認(rèn)為合適而使用傳統(tǒng)手眼施行高性能計(jì)算軟件的研發(fā)，其困難程度和辦公量都很大，不可以滿意現(xiàn)時高性能計(jì)算軟件需要的迅速提高。高性能計(jì)算的需要提高迅猛，指導(dǎo)著有關(guān)的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)向前進(jìn)展，硬件進(jìn)展的速度緊跟需要的進(jìn)展，到現(xiàn)在為止正從一百萬億次向務(wù)必億次邁進(jìn)。高性能計(jì)算軟件的進(jìn)展則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在后面，高性能計(jì)算軟件的進(jìn)展是普及高性能計(jì)算的關(guān)鍵。這是一個挑戰(zhàn)，也是一次機(jī)會。在CAE軟件方面，我們居于可以變更到現(xiàn)在為止CAE軟件格局的道口。三、CAE軟件研發(fā)與手續(xù)半自動生成在傳統(tǒng)CAE軟件研發(fā)中數(shù)字摹擬計(jì)算局部一般消針對一個三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，認(rèn)為合適而使用有限元手續(xù)半自動生成系統(tǒng)(FEPG)供給的有限元語言，用戶只需給出數(shù)理板型及其算法即可生圓成部有限元計(jì)算源代碼。我們從穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱扼制方程動身并如果求解邊界條件為：依照有限元辦法，轉(zhuǎn)化為虛功方程的弱方式：（*）描寫偏微分方程等價弱方式的有限元語言文本(右面書契為注釋行)：dispuu代表未知函數(shù)名,此例中代表溫度coorxyz給出總體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變量X，Y，Zshapc8c表達(dá)六面體單元，8表達(dá)8絴趞點(diǎn)單元gaus2給出每個方上進(jìn)積分點(diǎn)的個數(shù)mateekqek,eq為材料參變量名，后面可給定相應(yīng)值空一行stif給出剛度矩陣dist=+[u/x;u/x]*ek+[u/y;u/y]*ek+[u/z;u/z]*ek對應(yīng)于方程（*）中的左端項(xiàng)空一行l(wèi)oad=+[u]*q給出負(fù)荷矢量，對應(yīng)于方程（*）中的右端項(xiàng)空一行end終了符描寫算法的有限元語言文本Defi著手定義物理場aell定義a場ell表達(dá)認(rèn)為合適而使用鴨子蛋圓算法求解空一行STARTCa起初化a場SOLVCa求解a場連署算法和偏微分方程弱方式的有限元語言文本：PDE文件名空一行#elemtypec8單元類型3dxyz坐標(biāo)系認(rèn)為合適而使用有限元語言描寫三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，它的書寫方式物理意義明確，代碼量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直接認(rèn)為合適而使用FRORTRAN/C編程。填寫好這些個文本后，即可經(jīng)過有限元相對獨(dú)立的通訊子系統(tǒng)施行消息兒傳交、迭代施行計(jì)算求解。最終整個兒求解地區(qū)范圍的最后結(jié)果由各個子地區(qū)范圍的計(jì)算最后結(jié)果疊加獲得，完成并行有限元計(jì)算。高級語言（并行有限元計(jì)算FORTRAN手續(xù)）有限元語言(描寫：偏微分方程和有限元算法)pFEPG系統(tǒng)圖2.1pFEPG并行手續(xù)生成概況圖pFEPG生成并行手續(xù)的思考的線索和FEPG是絕對完全一樣的，所不一樣的是pFEPG生成手續(xù)時需求再參加通信的元件或手續(xù)斷片。但對用戶來說，由pFEPG生成并行手續(xù)與由FEPG生成并行手續(xù)兩者用的是相同的公式，可以成功實(shí)現(xiàn)從串行計(jì)算到并行計(jì)算的軟件自由進(jìn)階。3.3應(yīng)用pFEPG研發(fā)高性能數(shù)字計(jì)算軟件實(shí)際的例子3.3.1水泥毀損大型水利工程水電工程中需求運(yùn)用數(shù)量多的水泥材料，水泥材料的強(qiáng)度對水利工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和牢穩(wěn)性有非常大的影響。中國水利工程水電科研院抗震核心研討認(rèn)為合適而使用pFEPG摹擬水泥動力鞏固的非線性細(xì)觀力學(xué)毀損演變。用戶利用pFEPG生成的并行計(jì)算摹擬手續(xù)，對思索問題水泥細(xì)觀力學(xué)毀損演變時的靜載、動載、有靜預(yù)載的動載等各種事情狀況施行了摹擬，創(chuàng)建了此方面的并行摹擬研討，增進(jìn)了水泥非線性細(xì)觀力學(xué)毀損演變的研討。計(jì)算先認(rèn)為合適而使用有限元手續(xù)半自動生成系統(tǒng)（FEPG）生成單機(jī)計(jì)算手續(xù)；再用并行有限元手續(xù)半自動生成系統(tǒng)（PFEPG）生成并行計(jì)算手續(xù)。兩個手續(xù)生成過程用的是相同的有限元公式。由FEPG生成單機(jī)計(jì)算手續(xù)，從準(zhǔn)備文件到調(diào)整成功用時兩周。用PFEPG生成并行有限元計(jì)算手續(xù)，用時僅幾天時間。計(jì)算類型CPU個數(shù)有限元計(jì)算耗時10鐘頭12分鐘并行計(jì)算32個1鐘頭51分鐘表2.2并行計(jì)算和單機(jī)計(jì)算的比較（注：單機(jī)計(jì)算時，F(xiàn)EPG生成時思索問題算法優(yōu)化）3.3.2拱壩動力剖析中國水利工程水電科研院認(rèn)為合適而使用pFEPG生成了摹擬小灣拱壩對地震負(fù)荷的動力學(xué)響應(yīng)的并行計(jì)算手續(xù)，且思索問題水及泥沙在動力剖析中引動的附帶加上品質(zhì)，思索問題山體和壩體上的斷層和裂隙，同時還思索問題了溫度對壩體的影響。計(jì)算獲得小灣拱壩在地震效用下的變型、應(yīng)力、速度和加速度散布。圖2.3小灣拱壩計(jì)算板型及剖析最后結(jié)果經(jīng)過并行計(jì)算時間計(jì)數(shù)可以發(fā)覺，認(rèn)為合適而使用并行計(jì)算可以大大加快用戶數(shù)字摹擬的速度。推動復(fù)雜工程安全性能剖析與名聲。配備布置單機(jī)：win2000操作系統(tǒng)cpu：p43.0GHz（×1）RAM：1.0G（×1）并行機(jī)：linux操作系統(tǒng)cpu：p43.0GHz（×4）RAM：1.0G（×4）用時13鐘頭2鐘頭44分表2.4小灣拱壩并行計(jì)算時間計(jì)數(shù)3.3.3噴出巖出現(xiàn)裂縫剖析東北大學(xué)噴出巖出現(xiàn)裂縫與失穩(wěn)研討核心應(yīng)用pFEPG完成了噴出巖出現(xiàn)裂縫與失穩(wěn)數(shù)字摹擬軟件的并行版。噴出巖出現(xiàn)裂縫與失穩(wěn)數(shù)字摹擬可以應(yīng)用在隧洞、礦山、地下車間等大型工程的牢穩(wěn)性剖析中。實(shí)際復(fù)雜三維工程條件下，計(jì)算量十分很大。東北大學(xué)噴出巖出現(xiàn)裂縫與失穩(wěn)研討核心起初研發(fā)的二維計(jì)算摹擬軟件需求向三維并行化進(jìn)展。認(rèn)為合適而使用pFEPG系統(tǒng)，用戶在短短的幾個月時間完成了從二維到三維并行的研發(fā)辦公，是應(yīng)用pFEPG系統(tǒng)形成領(lǐng)域應(yīng)用的騰6800中國科學(xué)校網(wǎng)絡(luò)核心IBM南開之星南開大學(xué)浪潮天梭TS武漢大學(xué)HP并行機(jī)河海大學(xué)SGI并行機(jī)上海交通大學(xué)SUN并行機(jī)中國水利工程水電科研院PC-Cluster平臺北京飛箭軟件有限企業(yè)表2.6pFEPG應(yīng)用的各種高性能計(jì)算機(jī)機(jī)型四、聯(lián)手研發(fā)高性能CAE軟件的總體思考的線索CAE技術(shù)是一項(xiàng)綜合的技術(shù)。高性能CAE軟件的研發(fā)與進(jìn)展更是需求工程應(yīng)用領(lǐng)域資深專家、計(jì)算資深專家、軟件資深專家和優(yōu)化資深專家的緊急交流與協(xié)作。集中各領(lǐng)域資深專家的優(yōu)勢，經(jīng)過高性能CAE軟件這么一個載體成功實(shí)現(xiàn)“知”本向勞動力的轉(zhuǎn)化，形成我國高性能CAE軟件迅速進(jìn)展的極新局面。施行高性能CAE軟件建設(shè)是漸漸推進(jìn)的過程，我們設(shè)想大體可以分為基礎(chǔ)普及、應(yīng)用需要交流、領(lǐng)域庫研發(fā)、工程與科學(xué)高性能計(jì)算應(yīng)用四個階段。這四個階段互有交錯和滲透。譬如在施行高性能CAE軟件建設(shè)基礎(chǔ)普及階段可以就有關(guān)領(lǐng)域施行應(yīng)用需要交流。另一方面，各階段又有一定的秉承性，前期的辦公沒有做好，便會影響后一階段的辦公。除基礎(chǔ)普及階段外，剩下三個階段可以按領(lǐng)域同時并行施行。第1階段基礎(chǔ)普及階段，涵蓋的內(nèi)部實(shí)質(zhì)意義有：1．高性能CAE軟件建設(shè)的宣傳和信息宣布。2．高性能CAE軟件建域的高性能CAE軟件建設(shè)。第四階段工程與科學(xué)高性能計(jì)算應(yīng)用階段，涵蓋的內(nèi)