汽車碰撞過程的計(jì)算負(fù)載均衡并行有限元技術(shù)

張迎軍++吳沈榮++施欲亮++涂金剛++李文平

摘要： 為了在有限的計(jì)算資源下挖掘更高的汽車碰撞仿真計(jì)算效率，基于當(dāng)前普遍采用的并行處理區(qū)域分解算法，結(jié)合一個典型碰撞案例分析可知，汽車碰撞模型計(jì)算過程中的主要時間開銷與結(jié)構(gòu)大變形相關(guān).提出基于坐標(biāo)遞歸對分（Recursive Coordinate Bisection，RCB）的計(jì)算負(fù)載均衡區(qū)域分解算法，并將此法應(yīng)用于某整車碰撞仿真模型的3類典型工況.計(jì)算結(jié)果表明此法能將并行計(jì)算效率提高10%～24%.

關(guān)鍵詞：

汽車碰撞仿真； 并行計(jì)算； 區(qū)域分解； 計(jì)算負(fù)載均衡； 坐標(biāo)遞歸對分； 計(jì)算效率

中圖分類號： U462

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

在汽車被動安全研究領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)仿真是經(jīng)濟(jì)、有效的方法.汽車整車碰撞過程仿真是典型的大變形條件下的大規(guī)模沖擊大變形計(jì)算，涉及高度的幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性等問題.為確保仿真計(jì)算結(jié)果有足夠的精度，汽車整車有限元模型的單元數(shù)量一般以百萬計(jì)，甚至達(dá)到千萬級別.[1]得益于計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，人們普遍采用大規(guī)模并行系統(tǒng)（Massively Parallel Processors，MPP）求解此類大規(guī)模動態(tài)非線性問題.因此，適合于MPP并行計(jì)算機(jī)的非線性有限元結(jié)構(gòu)分析的并行求解技術(shù)引起高度重視，其中，基于區(qū)域分解算法的并行有限元法是當(dāng)前并行計(jì)算最活躍的研究和應(yīng)用領(lǐng)域之一.[29]

本文簡要介紹基于區(qū)域分解算法的并行有限元法，分析并行計(jì)算區(qū)域分解算法的主要時間開銷，提出基于坐標(biāo)遞歸對分（Recursive Coordinate Bisection，RCB）的負(fù)載均衡區(qū)域分解算法[1011]，最后將此法應(yīng)用于某整車碰撞仿真模型，探討前部正面剛性墻碰撞、正面40%偏置碰撞以及可變形移動壁障側(cè)面碰撞等3種工況下提高并行計(jì)算效率的可能性.

1 基于區(qū)域分解算法的并行計(jì)算技術(shù)

1.1 基于區(qū)域分解的顯式并行有限元法

汽車碰撞過程的計(jì)算機(jī)仿真一般采用顯式有限元求解，其基本流程[12]如下.

在MPP平臺上實(shí)現(xiàn)以上計(jì)算流程.對于汽車碰撞這類大規(guī)模的仿真問題，目前最常采用的方法是區(qū)域分解算法.

區(qū)域分解算法是將一個復(fù)雜大系統(tǒng)，按照一定的規(guī)則，分解成與參加計(jì)算處理器的數(shù)目相等的子系統(tǒng)，各處理器承擔(dān)各自子系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算負(fù)荷，并通過交互機(jī)制（例如MPI方式）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)交換.理論分析和實(shí)際計(jì)算[912]均已表明區(qū)域分解算法能夠?yàn)榇笠?guī)模問題提供高度并行的、可擴(kuò)展的魯棒算法.

1.2 并行計(jì)算區(qū)域分解算法的主要時間開銷

對于某個計(jì)算模型，采用并行計(jì)算時，其執(zhí)行時間tP的計(jì)算公式[13]為

式中：tPa為并行部分的執(zhí)行時間，通常為各個處理單元執(zhí)行并行部分所耗時間的最大值；ti/o為輸入/輸出所耗費(fèi)的時間，輸入和輸出部分通常都由單機(jī)完成[9]；tc為通信所耗費(fèi)的時間，即通信開銷.

加速比SP和并行效率η的計(jì)算公式分別定義為

式中：ts為單個處理單元計(jì)算該模型所耗費(fèi)的時間；N為并行計(jì)算時所用的處理單元總數(shù).

在采用區(qū)域分解的并行計(jì)算中，需要預(yù)先給每個處理單元分配相應(yīng)的計(jì)算任務(wù).分析式（6）和（7）可知，要提高加速比和并行效率，就要設(shè)法減小并行部分的執(zhí)行時間tPa和通信開銷tc，

式中：m為消息長度；n為處理器數(shù)目；t0（n）為啟動時間，取決于具體的硬件系統(tǒng)；tc（n）為每字節(jié)通信時間，依賴于具體的計(jì)算平臺.

因此，區(qū)域分解有以下3個原則[3，9]：

（1）各個子系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)載大致平衡，以減少并行部分的執(zhí)行時間tPa.

（2）最大相鄰的處理單元數(shù)盡可能小，以減少通信次數(shù).

（3）分子系統(tǒng)之間的邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)量盡可能小，以減少單次通信量.

區(qū)域分解的核心是靜態(tài)負(fù)載均衡問題，系統(tǒng)的分解優(yōu)劣關(guān)系到并行求解的效率.模擬過程中的動態(tài)負(fù)載（如接觸力）均衡則更是不可或缺，盡量使各處理單元有平衡的負(fù)載，才能實(shí)現(xiàn)高加速比和高并行效率的并行計(jì)算.

RCB算法作為一種靜態(tài)負(fù)載均衡算法[810]，可以使各個子系統(tǒng)的單元數(shù)量大致相等，其默認(rèn)子系統(tǒng)分解見圖1.由于該方法只考慮有限元模型的靜態(tài)幾何信息而未考慮模型在整個碰撞時域內(nèi)實(shí)際載荷的動態(tài)分布，對于汽車碰撞這類大規(guī)模沖擊大變形問題，默認(rèn)子系統(tǒng)分解方式不能有效保證各處理單元計(jì)算負(fù)載均衡，所以并不是最理想的區(qū)域分解方案.

汽車碰撞模型計(jì)算過程中的時間開銷分布情況見表1.整個模型時耗的90%以上都花費(fèi)在單元處理和接觸計(jì)算上，即第1.1節(jié)描述的第（2）和第（5）步.耗時多的計(jì)算都與結(jié)構(gòu)大變形有關(guān).

為此，本文探討在保證各處理單元間單元數(shù)量平衡的基礎(chǔ)上，通過均勻分布大變形的區(qū)域分解方案實(shí)現(xiàn)各處理單元間的負(fù)載均衡，從而提高并行計(jì)算效率的可能性.

2 基于RCB的負(fù)載均衡區(qū)域分解算法

基于RCB，結(jié)合奇瑞汽車工程研究總院高性能計(jì)算服務(wù)器的共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)負(fù)載均衡的區(qū)域分解算法（Computational Load Balance Based Domain Decomposition Algorithms，CLB），其基本原理[4，9]如下：

（1）找出大變形定義中的所有單元及其相鄰單元；

（2）根據(jù)參與計(jì)算的處理單元數(shù)目將大變形定義中的單元均分，并劃定區(qū)域邊界；

（3）根據(jù)區(qū)域邊界進(jìn)行區(qū)域分解，復(fù)制區(qū)域邊界的節(jié)點(diǎn)，分布到對應(yīng)的區(qū)域中；

（4）將模型中非大變形單元按照幾何坐標(biāo)分布到對應(yīng)區(qū)域中，直到滿足分割收斂條件，即子區(qū)域數(shù)與所用處理單元的數(shù)目相等；

（5）輸出分區(qū)結(jié)果.

根據(jù)以上原理，采用腳本語言pfile[14]和MPI消息傳遞函數(shù)庫開發(fā)大變形負(fù)載均衡分區(qū)程序，該程序可以讀入有限元網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格的初始化分區(qū)，分區(qū)結(jié)果由顯式有限元求解器LSDYNA[1415]讀入，并將各分區(qū)一一分配給各處理單元進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)汽車碰撞仿真問題的并行計(jì)算.

3 實(shí)例應(yīng)用

將CLB方法應(yīng)用于某整車碰撞仿真分析，該整車有限元模型見圖2，共計(jì)約93萬個單元，其詳細(xì)信息見表2.

針對前部正面剛性墻碰撞、正面40%偏置碰撞以及可變形移動壁障側(cè)面碰撞等3種工況，設(shè)計(jì)不同的分區(qū)方案.

3.1 前部正面剛性墻碰撞

該整車有限元模型及其采用32個處理單元的分區(qū)結(jié)果見圖2，碰撞總時間為90 ms，計(jì)算迭代總步數(shù)為 100 001步，計(jì)算結(jié)果見圖3.

3.2 正面40%偏置碰撞

正面40%偏置碰撞工況下，該整車有限元模型及其采用32個處理單元的分區(qū)結(jié)果見圖5；碰撞總時間為120 ms，計(jì)算迭代總步數(shù)為133 334步，計(jì)算結(jié)果見圖6.

默認(rèn)RCB分區(qū)方法和CLB方法在不同處理單元數(shù)目下的計(jì)算時耗、加速比及并行效率分見表4和圖7.同第3.1節(jié)，正面40%偏置碰撞并行計(jì)算的效率分析以8個處理單元為基準(zhǔn).

3.3 可變形移動壁障側(cè)面碰撞

在可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況下，該整車有

限元模型及其采用32個處理單元的分區(qū)結(jié)果見圖8，碰撞總時間為80 ms，計(jì)算迭代總步數(shù)為步，計(jì)算結(jié)果見圖9.

默認(rèn)RCB分區(qū)方法和CLB方法在不同處理單元數(shù)目下的計(jì)算時耗、加速比及并行效率分別見表5和圖10.同第3.1節(jié)，可變形移動壁障側(cè)面碰撞并行計(jì)算的效率分析以8個處理單元為基準(zhǔn).

4 結(jié)果分析

對于整車碰撞3種工況下的并行仿真算例，由

表3～5及圖4，7和10可知，隨著處理單元數(shù)目的增加，采用2種區(qū)域分解算法都能大幅減少計(jì)算時間.相對于默認(rèn)的RCB方法，基于CLB根據(jù)汽車碰撞各工況的特性設(shè)計(jì)的分區(qū)方法具有更好的并行計(jì)算表現(xiàn).

相對于默認(rèn)的RCB方法，CLB分區(qū)方法能使總的計(jì)算時間減少10%～24%.

5 結(jié) 論

根據(jù)顯式有限元的計(jì)算主要是在單元中進(jìn)行，而且計(jì)算時間大多花在單元和接觸計(jì)算上的特點(diǎn)，考慮所用的高性能計(jì)算服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)存大小和信息傳遞方式等，設(shè)計(jì)基于信息傳遞和負(fù)載均衡的動態(tài)顯式有限元的并行區(qū)域分解算法.算例計(jì)算結(jié)果表明，這種方法可以比軟件默認(rèn)的算法的加速比和并行效率更高，總的計(jì)算時間可以減少10%～24%.

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（編輯 武曉英）