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1、超算并行有限元分析系统 (SciFEA) 开发及船舶系统应用报告人：钱华山 博士北京超算科技有限公司2012年5月内容提要 超算有限元分析系统统SciFEA SciFEA和船舶系统统相关应关应 用 北京超算并并行计计算解决决方案我们越来越需要有限元二十世纪纪前人类认识类认识 世界的两种两种 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纪出现现的第三种种手段 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数值 求解偏微分方程的最重要的数值数值 方法有限元是二十世纪最有影响力的发明之一 林群院士专业化是有限元软件的重要发展方向u集设计、分析和
2、优化于一体 u以产品设计为 主导, 分析和优化作为 设计的核心计算支撑 u构件化、模块化，可重用、易集成优化设计出的新型结构我们越来越需要有限元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 (The International Center for Numerical Methods in Engineering)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
3、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http:/ DXF, VDA, PARASOLID, ACIS, Step,Shapefile, Rhinoceros等数据格式。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SciFEA进行分析。支持NASTRAN, STL, VRML, 3D Studio等格式。Patran网格GID网格导 入超算有限元分析系统SciFEASciFEA计算功能超算有限元分析系统SciFEA结结构计算弹弹性计计算塑性计计
4、算流体计计算材料计算动力学电磁计算电热力计算热热固耦合传热计传热计算稳定性计算岩土计算断裂计算水热力耦合粘弹性计算GID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SciFEA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。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
5、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。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的数值模拟咨询某大型汽车变速箱制造企业所制造的卡车变速箱在重载低速时(上坡)出现齿轮断 裂，变速箱裂纹，损坏。通过有限元分析，计算，分析事故原因， 准确找到破坏位置，并提出解决方案。该公司改善后，极大地提高了该款 变速箱使用寿命。大型复杂结构计算变速箱模型及网格划分 变速箱计算位移云图基于SciFEA的数值模拟咨询某船舶制造企业为分析结构的变变形、
6、应应力和稳稳定性，需要考虑各种对称结构、非对称结构 、以及各种结构 的组合。超算科技采用SciFEA软件对其 中的结构进 行了计算模拟。经验证 ，计算结果因为采用了最新的杂交元技 术应应力精度具有明显的优势。 对称非对称结构组合计算得到的组合结构的变形 相交板结构变 形基于SciFEA的数值模拟咨询天津科技大学机械学院为分析纸浆干燥用压力容器热变形和应力分布情况。SciFEA有限元分析软件分别进行了二维、三维数值 模拟计算。采用应用 单位提出的压力容器新的几何构型，分析过程按照纸浆干燥工艺系统的考 虑了不同工况下压力容器的热变形和应力分布。热固耦合应力分析内压下总位移云图 温度边界下构件温度场
7、分布云图基于SciFEA的数值模拟咨询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。结构稳定性分析基于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的数值模拟咨询渗碳热处碳热处 理及材料扩扩散对于渗碳渗氮处理的合适的时间控制是改工艺的主要环节。时间短则表面性能达不到要求，时间长 又会引
8、起材料整体脆性增加。超算可以开发 的材料扩散模块可以对各种材料的渗碳渗氮等扩散过程进行模拟，能计 算模拟等到各不同时刻的扩散浓度和扩散深度。材料领域渗碳热处理 扩散偶，扩散55.5天Cu原子质量分数分布图基于SciFEA的数值模拟咨询焊焊接溶解过过程结合项目要求采用速度场保持法解决了随着熔点线推移，速度场扩大的问题，通过引入压力泊松方程，增加解的稳定性。采用GLS（稳定有限元） 方法求解温度的对流扩散输运方程，克服的传统有限元计算此类问题 的数 值稳定性问题。同时我们采用准浓度法实现自由界面的跟踪，能够清晰地 标识焊锡 熔化交接位置。 材料领域焊锡熔化过程基于SciFEA的数值模拟咨询铸铸造超
9、算科技根据铸件凝固的热物理模型，开发出考虑传导 、对流、辐射、相变潜热、缩孔缩松影响的温度场、固相率场的数值模拟系统，可以反映 出铸件凝固过程中温度场变化规律和铸件缺陷的主要特征。材料领域模拟凝固10000S，20000S时的温度分布 基于SciFEA的数值模拟咨询界面追踪 基于SciFEA的数值模拟咨询结构破裂过程模拟 基于SciFEA的数值模拟咨询流体光滑粒子模拟 基于SciFEA的数值模拟咨询SciFEA船舶计算相关处理技术SciFEA计算模拟相关技术 整体和局部迭代求解技术焊接模拟 生死单元、生死节点技术建造过程模拟 流固耦合模拟技术船体晃动模拟 并行计算模拟技术整船变形应力模拟 参数
10、化建模技术船体构件优化参数建模 非线性求解技术船体结构的稳定性超算并行有限元分析系统的特点 适用于各种操作系统和各种架构并行机 Linux, Unix, WCCS 32/64位芯片 Itanium，Xeon，AMD 各种网络互连方式，Ethernet, InfiniBand, Myrinet 问题求解系统，适应于各个领域 流体、固体、传热、电磁 多物理场耦合计算SciFEA高性能计算系统架构与部署客户户端(GUI) PC Windows Linux 计计算站(Compute) 并行机 Linux Unix 执行并行代码SciFEA高性能计算使用模式SciFEA高性能计算典型加速比SciFEA高
11、性能计算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 计四节点机群涡流计算SciFEA高性能计算“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
12、个处理器”。1）CPU-称为中央处理器；2）GPU-Graphic Processing Unit,“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显卡并行SciFEA高性能计算（据GPU生产商官方数据 ）第三代CUDA 处理器C20系列最新的C20GPU，拥有30亿个晶体管，共有448个核，一块这样的GPU卡的双精度浮点运算性能可达到1万亿次每秒（Tflops）。Tesla S1070 1U 系统Telsa C2060，可以用到普通的PC和工作站中，性能是957Gflops（万亿次），功耗只有
13、250瓦。Telsa S2070 1U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1000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4 核448核SciFEA高性能计算材料破裂模拟计算SciFEA高性能计算材料烧结模拟计算北京超算科技有限公司SciFEA高性能计算GPU计算的优势不同规模时SciFEA-GPU与普通CPU计算求解时间对比SciFEA高性能计算超算显卡并行软件是国内外首个支持GPU计算模拟的 CAE软件，具有以下六个方面的优势： 开创了桌面级超级计算 完成同等计算量仅需十分之一的能耗 超级计算机可象PC机一样维护 计算规模越大相对速度越快 一台抵十台，节约硬件投资 计算按需选择，节约软件投资SciFEA高性能计算数据转换专业化软件界面定制 参数化自动建模专业软件定制北京超算专注计算的团队专业计算服务两大业务：北京超算网站：联系电话： 010-62922568，62953055 传 真： 010-62922568 E-mail ： 统一客服热线：400-650-0132联系我们北京超算专注计算的团队超算科技计算把握未来北京超算专注计算的团队
