集群网络中汽车碰撞的并行计算

时间:2008-12-09   来源:   网友评论:0   人气: 533 作者: 清华大学 孔凡忠 张金换 王大志 黄世霖

 摘要:汽车碰撞是一种包含几何非线性、材料非线性和边界非线性的大规模冲击接触问题。这类复杂问题的数值模拟极为耗时,在没有超级计算机的条件下,很难获得满意的计算精度和计算效率。在普通实验室条件下,本文采用Linux系统和MPI 并行平台,通过百兆以太网组建了使用灵活、可扩展性强、低成本高性能的网络集群并行计算系统,满足了汽车碰撞数值模拟对存储规模和计算速度的迫切要求。某轻型客车的数值算例表明,该系统具有很高的并行计算效率,对汽车结构耐撞性研究提供了非常先进的计算环境。
关键词:网络集群系统 并行计算 汽车结构耐撞性 大规模冲击接触 有限元法

Numerical Simulation of Automotive Collision using Clustered Parallel Computers
Kong Fanzhong, Zhang Jinhuan, Wang Dazhi, Huang Shilin
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] With large deformation, the behavior of impact-contact computation presents geometric non-linearity, material non-linearity and boundary condition non-linearity such as automotive collision. Because of its complexity, numerical simulation of automotive collision is very time-consuming. So it is very difficult to obtain satisfactory computational accuracy and efficiency without supper-computers. In order to fulfill the needs for computational speed and capacities, which is incurred in automotive collision computing, a low-cost and high-performance clustered parallel computers platform has been set up based on the Redhat-Linux system and MPI parallel platform through the 100M Ethernet. Numerical example for a minibus indicates that the clustered parallel computers platform has a very high computational parallel efficiency and supplies a very good computational condition for the research on automotive crashworthiness.
Key words: clustered parallel computers parallel computation automotive crashworthiness large-scale impact-contact the finite element method

1 引言

大规模冲击接触问题是一个涉及几何非线性、材料非线性和边界非线性的复杂问题[1~2],它存在于许多工程领域,如汽车碰撞和金属成形等,对该问题的研究具有非常重要的工程意义。有限元法作为一种精确高效的数值分析方法,在大规模冲击接触问题的分析中得到越来越广泛的应用[3~4]。并行计算是提高计算能力、求解复杂问题的有效手段。利用并行计算,可以充分发挥有限元法的优势,解决在串行方式下因规模大、时间长而难以很好解决的大规模冲击接触问题。

汽车碰撞是一种非常典型的大规模冲击接触问题,汽车结构耐撞性的数值模拟,体现了目前大变形条件下冲击接触问题的研究水平。为了能够模拟汽车结构局部的变形与接触,一辆整车模型至少需要包含6~10 万个单元,30 ~ 50 万个自由度[1,5],参考汽车碰撞安全性法规,一般采用48 ~ 50km/h 的速度与刚性墙正面碰撞作为标准计算方案,以评价汽车结构的耐撞性能[6-7]。对于大规模冲击接触问题的数值模拟,典型的分析程序有PAM-CRASH,MSC.DYTRAN 和DYNA3D 等三维非线性动态有限元分析软件。其中,DYNA3D 已经发展成为汽车结构耐撞性分析的标准化软件[8],对汽车设计和质量评估,具有非常重要的参考意义。

从已发表的文献来看,要计算一辆包含有10 万个单元整车的动态响应,在微机上尚很难进行,大多是在CRAY、IBM SP2 等超级计算机上进行计算[9],一个碰撞方案一般需要计算数十小时。例如,当年计算一辆由20000 个壳单元和140 个梁单元所组成的Benz 轿车在100ms 内的响应情况,在CRAY Y-MP 4/216超级计算机上需要15 个CPU 小时[1]。


 

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