淺析核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域中CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用

張婷婷

【摘要】 本文基于對CAE仿真分析方法與流程、CAE軟件結(jié)構(gòu)與特性的相關(guān)研究，以及CAE軟件運(yùn)行平臺(tái)的引入，闡述了在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域中高效運(yùn)用CAE仿真技術(shù)、統(tǒng)一管理仿真分析過程中的軟硬件資源的有效的解決方案。

【關(guān)鍵詞】 CAE仿真技術(shù) 高性能計(jì)算 集群技術(shù)

一、引言

自1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問世至今，計(jì)算機(jī)技術(shù)歷經(jīng)幾十年的飛速發(fā)展，早已與人類的生產(chǎn)生活密不可分。這其中，作為跨學(xué)科的CAE（Computer Aided Engineering） 數(shù)值模擬分析技術(shù)也得到了巨大發(fā)展，越來越多的工程領(lǐng)域運(yùn)用CAE仿真技術(shù)對工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用問題進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，通過CAE仿真技術(shù)的使用可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路、減少設(shè)計(jì)時(shí)間、節(jié)約設(shè)計(jì)成本，從而提升企業(yè)的競爭力。CAE仿真技術(shù)在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如核電廠抗震力學(xué)分析、核反應(yīng)堆堆芯熱工水力分析、核電廠抗商用飛機(jī)撞擊能力分析等設(shè)計(jì)分析任務(wù)中也有著廣泛的應(yīng)用。

二、CAE仿真分析方法與流程

CAE仿真技術(shù)是結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形、數(shù)據(jù)處理及管理、建模等技術(shù)的一種設(shè)計(jì)和分析的綜合技術(shù)，其特點(diǎn)是基于對象[1]，CAE仿真技術(shù)采用各類數(shù)值計(jì)算方法對二維、三維幾何體進(jìn)行分析及計(jì)算。

在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中通常需要在某個(gè)既定的范圍中，依據(jù)物理定律，聯(lián)立出能夠揭示物理量的變化所滿足的規(guī)律的微分方程，同時(shí)列出相應(yīng)的邊界和邊界條件，而求解微分方程以確定物理量的變化規(guī)律則是工程仿真分析的目標(biāo)。有限元法、有限差分法、有限體積法、邊界元法、無網(wǎng)格法等都被視為通用的仿真分析方法，而有限元法則是這些分析方法中最重要也是被使用的最為廣泛的一種[2]。有限元法主要是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散化，通過用有限個(gè)易于分析的單元將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)表示出來，同時(shí)各個(gè)單元之間的連接由有限元節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，通過聯(lián)立方程組求解得到近似的數(shù)值解。

使用有限元法進(jìn)行仿真分析問題的求解時(shí)，一般流程分為以下三個(gè)階段：前處理過程、有限元分析及后處理過程[3]。

前處理過程是指對仿真分析對象進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分與處理，得到相關(guān)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)和有限元分析載荷數(shù)據(jù)等，從而形成有限元分析模型；有限元分析過程包含了分析有限元模型、聯(lián)立與求解有限元方程、獲取有限元結(jié)果等；后處理過程是指根據(jù)仿真分析問題的實(shí)際要求對有限元分析的結(jié)果進(jìn)行處理和加工，以圖形形式將其提交給用戶，用戶從而能夠直觀地了解和分析求解結(jié)果并判斷及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

三、CAE軟件結(jié)構(gòu)與特性

目前市場上較為通用的CAE仿真軟件，大多具有相似的軟件結(jié)構(gòu)，以采用有限元法的仿真軟件為例，它所包含的軟件模塊有：前處理模塊、有限元分析模塊、后處理模塊、用戶界面模塊以及數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。其中，前處理模塊用于進(jìn)行三維實(shí)體或參數(shù)化建模、有限元網(wǎng)格的劃分和處理、為有限元節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)并生成參數(shù)，最終得到有限元分析數(shù)據(jù)文件并支持導(dǎo)出。有限元分析模塊由各類有限元分析子系統(tǒng)（如靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、熱分析、震動(dòng)分析、電磁分析等子系統(tǒng)）、有限單元庫、材料庫和解法庫所構(gòu)成。有限單元庫所含單元類型的種類與材料庫所含材料特性的數(shù)量決定了軟件仿真分析能力的強(qiáng)弱；解法庫所含求解算法的多少則決定了軟件的計(jì)算效率和精度的高低。后處理模塊用于有限元分析結(jié)果的加工和檢查，如數(shù)據(jù)的平滑處理、檢驗(yàn)、優(yōu)化等。用戶界面模塊主要用于交互式圖形界面的實(shí)現(xiàn)，以及仿真分析數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出等。仿真軟件的數(shù)據(jù)庫中包含有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建庫、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范庫、結(jié)構(gòu)圖形庫、特性庫等。仿真軟件的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通常會(huì)根據(jù)軟件特性選用面向?qū)ο笮突蚴顷P(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域中較為常用的CAE仿真軟件可分為以下三類：顯式有限元分析軟件（EFEA）、隱式有限元分析軟件（IFEA）、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（CFD）。顯式有限元分析軟件的代表有LS-DYNA、RADIOSS、PAM-CRASH等，顯式有限元分析大多是基于動(dòng)力學(xué)方程，主要解決高度非線性問題，如碰撞、接觸、爆炸等。隱式有限元分析軟件的代表有ANSYS、ABAQUS、MSC NASTRAN等，隱式有限元分析大多是對每一個(gè)變化的物理量聯(lián)立方程迭代求解，主要用于解決電場、磁場、結(jié)構(gòu)力學(xué)、固體力學(xué)等的仿真分析問題。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件的代表有STAR-CD、POWERFLOW、FLUENT等，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法通常用于解決氣動(dòng)聲學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等的仿真分析問題。

上述三類CAE仿真軟件大多都能夠進(jìn)行并行計(jì)算，所用的并行方式卻有不同。隱式有限元分析軟件通常采用共享內(nèi)存并行技術(shù)，如OpenMP或Pthreads；而顯式有限元分析軟件和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件一般采用分布式內(nèi)存并行技術(shù)，如MPI?；贑AE仿真軟件所用的分析方法和并行技術(shù)的不同，它們的擴(kuò)展性以及對于仿真分析過程中所需的計(jì)算資源的要求也有較大差異[4]。隱式有限元分析軟件的特點(diǎn)是無法跨節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算、對內(nèi)存及I/O要求較高、可擴(kuò)展性較差，當(dāng)CPU核數(shù)一般超過16核時(shí)，其應(yīng)用性能將不再提升，適應(yīng)于單機(jī)多核的運(yùn)行環(huán)境；顯式有限元分析軟件和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件的特點(diǎn)是可擴(kuò)展性較好、支持跨節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算、對內(nèi)存要求不高，適應(yīng)于多主機(jī)集群的運(yùn)行環(huán)境。

四、CAE軟件運(yùn)行平臺(tái)

CAE仿真軟件對于應(yīng)用性能和計(jì)算資源都有著嚴(yán)苛的要求，故引入高性能計(jì)算和集群技術(shù)以滿足在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域中不斷增長的仿真分析應(yīng)用需求。

高性能計(jì)算（High Performance Computing）技術(shù)是指利用大量計(jì)算機(jī)資源對大規(guī)?？茖W(xué)問題進(jìn)行的求解和計(jì)算。集群（Cluster）技術(shù)是高效的并行處理系統(tǒng)，它將個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站或服務(wù)器等獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接，使其協(xié)同工作，對外部用戶提供單一、集成的計(jì)算資源并供之使用。因而高性能計(jì)算集群（High Performance Computing Cluster）能夠?qū)ν馓峁?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力，解決無法由單臺(tái)服務(wù)器完成的大規(guī)模的計(jì)算求解任務(wù)。

高性能計(jì)算集群的硬件構(gòu)成一般包含五類節(jié)點(diǎn)（管理節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、用戶節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)）和交換網(wǎng)絡(luò) ，高性能計(jì)算集群的軟件構(gòu)成一般包含操作系統(tǒng)、并行開發(fā)環(huán)境和開發(fā)庫、并行編譯環(huán)境和編譯器、集群作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)等。

CAE仿真軟件運(yùn)行在高性能計(jì)算集群中，通過集群內(nèi)的管理及調(diào)度來完成計(jì)算資源的分配和仿真分析任務(wù)的執(zhí)行，這將大幅縮短仿真分析計(jì)算所需的時(shí)間，大幅提高CAE仿真軟件的運(yùn)行性能和效率。還能夠完成核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域中多物理場的耦合仿真、多體耦合仿真等綜合性仿真分析任務(wù)，提升企業(yè)進(jìn)行綜合仿真分析的能力。

五、結(jié)論

將CAE仿真軟件集成到高性能計(jì)算平臺(tái)中運(yùn)行和使用，是實(shí)現(xiàn)核電設(shè)計(jì)企業(yè)對仿真分析過程中軟硬件資源的高效應(yīng)用和管控的理想解決方案，能夠有效的提升企業(yè)仿真分析的工作效率，從而提升企業(yè)的核心競爭力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 廉雙紅. 系統(tǒng)CAE的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

[2] 魯建霞，茍惠芳. 有限元法的基本思想與發(fā)展過程[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（2）：74-75.

[3] 崔俊芝. 計(jì)算機(jī)輔助工程_CAE_的現(xiàn)在和未來[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000，06：3-7.

[4] 魏雅江. CAE軟件運(yùn)行平臺(tái)淺析[J]. 計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用， 2015，02：41-42.