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(shì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)步提高對(duì)產(chǎn)品質(zhì)性格能提出了越來(lái)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(guò)程的復(fù)雜性。對(duì)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(xiě)出來(lái)，更期望：“不需要實(shí)在把設(shè)施造出來(lái)，只要在計(jì)算機(jī)里施行摹擬就可以發(fā)覺(jué)不充足、趁早修正”。也就是說(shuō)在出產(chǎn)曾經(jīng)對(duì)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(gè)綜合過(guò)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(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)（力學(xué)、熱學(xué)、電磁、流動(dòng)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(shí)、應(yīng)用。到現(xiàn)在為止，越來(lái)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(guò)程預(yù)設(shè)CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）以及計(jì)算機(jī)匡助制作CAM（ComputerAidedManufacturing）等，這些個(gè)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(shí)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(méi)有辦法半自動(dòng)完成此方面的辦公，需求眾多的人工過(guò)問(wèn)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(guó)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(guò)現(xiàn)時(shí)幾十個(gè)，上百個(gè)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(gè)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(wèn)題集成優(yōu)化的CAE軟件定然帶來(lái)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(shí)高性能計(jì)算硬件資源能以大眾可接納的價(jià)錢(qián)取得的事情狀況下的一個(gè)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(wèn)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(dòng)力學(xué)與模塊運(yùn)動(dòng)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(guó)際上科學(xué)與工程計(jì)算的一個(gè)主流趨勢(shì)。高性能數(shù)字計(jì)算，固然通過(guò)了30年的進(jìn)展過(guò)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(shí)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(kāi)展各自領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)字摹擬問(wèn)題目解釋題決方案的開(kāi)發(fā)辦公。不過(guò)，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(shí)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(wàn)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(gè)挑戰(zhàn)，也是一次機(jī)會(huì)。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(dòng)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(duì)一個(gè)三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，認(rèn)為合適而使用有限元手續(xù)半自動(dòng)生成系統(tǒng)(FEPG)供給的有限元語(yǔ)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(dòng)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(xiě)偏微分方程等價(jià)弱方式的有限元語(yǔ)言文本(右面書(shū)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(gè)方上進(jìn)積分點(diǎn)的個(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)于方程（*）中的右端項(xiàng)空一行end終了符描寫(xiě)算法的有限元語(yǔ)言文本Defi著手定義物理場(chǎng)aell定義a場(chǎng)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(chǎng)SOLVCa求解a場(chǎng)連署算法和偏微分方程弱方式的有限元語(yǔ)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(yǔ)言描寫(xiě)三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，它的書(shū)寫(xiě)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(xiě)好這些個(gè)文本后，即可經(jīng)過(guò)有限元相對(duì)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(gè)兒求解地區(qū)范圍的最后結(jié)果由各個(gè)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(jí)語(yǔ)言（并行有限元計(jì)算FORTRAN手續(xù)）有限元語(yǔ)言(描寫(xiě)：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(duì)完全一樣的，所不一樣的是pFEPG生成手續(xù)時(shí)需求再參加通信的元件或手續(xù)斷片。但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，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(duì)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(guó)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(dòng)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(duì)思索問(wèn)題水泥細(xì)觀力學(xué)毀損演變時(shí)的靜載、動(dòng)載、有靜預(yù)載的動(dòng)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(dòng)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(dòng)生成系統(tǒng)（PFEPG）生成并行計(jì)算手續(xù)。兩個(gè)手續(xù)生成過(guò)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(shí)兩周。用PFEPG生成并行有限元計(jì)算手續(xù)，用時(shí)僅幾天時(shí)間。計(jì)算類型CPU個(gè)數(shù)有限元計(jì)算耗時(shí)10鐘頭12分鐘并行計(jì)算32個(gè)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：?jiǎn)螜C(jī)計(jì)算時(shí)，F(xiàn)EPG生成時(shí)思索問(wèn)題算法優(yōu)化）3.3.2拱壩動(dòng)力剖析中國(guó)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(duì)地震負(fù)荷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的并行計(jì)算手續(xù)，且思索問(wèn)題水及泥沙在動(dòng)力剖析中引動(dòng)的附帶加上品質(zhì)，思索問(wèn)題山體和壩體上的斷層和裂隙，同時(shí)還思索問(wèn)題了溫度對(duì)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(guò)并行計(jì)算時(shí)間計(jì)數(shù)可以發(fā)覺(jué)，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(dòng)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(shí)13鐘頭2鐘頭44分表2.4小灣拱壩并行計(jì)算時(shí)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(gè)月時(shí)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(guó)科學(xué)校網(wǎng)絡(luò)核心IBM南開(kāi)之星南開(kāi)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(guó)水利工程水電科研院PC-Cluster平臺(tái)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(shì)，經(jīng)過(guò)高性能CAE軟件這么一個(gè)載體成功實(shí)現(xiàn)“知”本向勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)化，形成我國(guó)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(guò)程，我們?cè)O(shè)想大體可以分為基礎(chǔ)普及、應(yīng)用需要交流、領(lǐng)域庫(kù)研發(fā)、工程與科學(xué)高性能計(jì)算應(yīng)用四個(gè)階段。這四個(gè)階段互有交錯(cuò)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(méi)有做好，便會(huì)影響后一階段的辦公。除基礎(chǔ)普及階段外，剩下三個(gè)階段可以按領(lǐng)域同時(shí)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)