高性能计算环境搭建及在空投入水结构设计中的应用

时间:2009-02-22   来源:宜昌测试技术研究所    网友评论:0   人气: 399 作者: 杨兴满 孙善春 薛学富 俞涛

高性能计算技术在航天航空,船舶,汽车,海洋工程等领域的产品虚拟设计和性能分析方面得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍了一种适合研究所使用的中小规模高性能计算环境的搭建与实现方法以及高性能计算技术在结构空投入水过程中的具体应用。这些实践为产品的研发提供了重要的参考和依据。
    1 引言
   
    结构入水是一个非常复杂的过程,从结构撞水、入水到结构在水下航行,空气、水和结构三者之间的相互作用,是一个典型的流-固耦合问题。涉及到流体力学、固体力学、动力学、计算力学等多学科知识。在传统的"设计-试制-试验"的设计方法上,对该问题的研究存在着很大的障碍。而利用高性能计算技术可以建立合理的分析模型,在计算机上逼真地模拟所设计的产品的各种性能,并获得各种参数,静动态图示各种结果,为突破这些领域的关键技术提供了有力的技术手段。
   
    高性能计算技术的应用是研发技术更新和提高的一个重要环节,为越来越多的企业和科研单位所重视。借助先进的建模工具和硬件平台,可以进一步提高企业的设计水平,为实现国家创新发展的目标打下技术基础。
   
    2 高性能计算技术简介
   
    高性能计算技术(High-Performance Computing)主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的技术。随着信息化社会的飞速发展,高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。在一些新兴的学科,如新材料技术和生物技术领域,高性能计算机已成为科学研究的必备工具。
   
    随着对产品各种设计性能要求的不断提高和高性能计算技术的蓬勃发展,现在,高性能计算技术被大范围的应用到产品的性能仿真分析中,尤其在航天航空,船舶,汽车,海洋工程等领域的产品虚拟设计和性能分析方面得到了越来越广泛的应用。
   
    3 高性能计算应用软件的特点与硬件平台的选择
    
    3.1 高性能计算应用软件的特点

   
    CAE分析软件作为高性能计算应用软件的主要类别,通常包括前处理、计算分析和后处理这3个模块。前处理主要是建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等;计算分析是对所建立的数值模型进行求解,经常需要求解大型的线性方程组,这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分;后处理则是以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理。
   
    高性能计算技术应用的一个重要特点是,主要采用国际上公认的大型商业软件进行分析和计算。根据水下航行体设计的特点,主要采用FlUENT、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、ADAMS等CFD和FEA软件。
   
    根据求解算法的不同,高性能计算软件总体上可以分为隐式和显式两类。从对计算资源的需求来说,隐式解法的基本特点是内存占用多、磁盘IO大、进程通信量大,因此,隐式解法要求系统的内存容量大、访存带宽高、磁盘IO速度快、通信延迟低;相对而言,显式解法对内存、磁盘IO和通信延迟的要求要低一些。
   
    从软件的扩展性上来说,隐式算法和显式算法有明显的区别。采用隐式算法的软件,扩展性比较差,计算性能在8-16 CPU以上就很难获得进一步的提升;而采用显式算法的软件,扩展性就要好得多,在64-128 CPU以内都能获得较好的并行性能。
   
    从并行技术的角度来说,隐式算法通常采用OpenMP或者Pthreads等共享内存的方式实现,而显式算法通常采用MPI或者PVM等消息传递方式实现。采用共享内存方式的优点是实现容易,性能较高,但只能运行在SMP结构的服务器上;而消息传递方式则可适用于SMP或者DMP结构的服务器上。不过,随着集群计算的发展,SMP平台上的大多数算法也已移植到了DMP平台上,虽然并不完全。比如ABAQUS/Standard的Direct求解器和Lanczos特征值求解器就只支持Threads模式,因此必须采用SMP平台才能实现并行计算。


 

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