CAE/CFD计算解决方案

CAE(Computer Aided Engineering)是指利用计算机对工程及工业产品的结构、性能及运行状态等进行仿真,CFD(Computational Fluid Dynamics)是指利用计算机数值求解流体力学问题。

目前,基于高性能计算机的CAE/CFD仿真在航空航天、汽车船舶、石油化工、土木建筑等领域有广泛的应用。并且,随着计算机技术的不断发展,CAE/CFD在上述领域的作用愈渐重要,特别是在航空航天领域,CAE/CFD已经成为与理论分析和风洞实验并列的三种研究手段之一。美国航天局NASA预测,航空航天飞行器的设计会在不远的将来发生革命性的变化,即实现在基于CAE/CFD仿真数据的数值风洞中的虚拟飞行。 高性能计算在CAE/CFD上应用的首要目标是用最低的成本获取最接近真实的结果。目前,CAE/CFD行业软件众多,客户对这些软件的应用要求也是千差万别,难以形成统一的解决方案。

那么高性能计算在CAE/CFD中应如何应用优化呢?首先,我们先分下CAE/CFD的特征。 CAE/CFD软件基本上采用有限元法或有限体积法求解控制方程,在计算时涉及大量的前后时间步迭代以及交界区域处理,属于计算密集型,对CPU性能的要求自然是越高越好。 一般来讲,采用显式时间格式的CAE/CFD软件对内存容量的要求一般,而采用隐式时间格式的CAE/CFD软件对内存容量有比较高的要,至于对内存带宽的要求则是与单节点内的进程数直接关联的,进程数越多,内存带宽要求越高。

在I/O层面上,多数CAE/CFD软件在读操作时,由主进程读入数据,然后向从进程分发数据;在写操作时,由主进程统一收集从进程的数据,然后主进程写出数据。也就是说,只有主进程直接负责I/O操作。因此,CAE/CFD对I/O存储的压力一般。

首先是建模亦即前处理,是指对需要计算的问题建立几何和物理模型并划分网格,以便可以将非线性的力学方程离散为计算机可以识别的代数方程,这一过程需要较好的显示能力,并且要求具有一定的内存空间能够容纳大量的网格信息,通常在工作站上进行;

模型建立后就是求解过程,常见的求解器包括Fluent、Ansys、Nastran、Ls-Dyna等,这一过程需要大量的CPU、内存资源以及存储空间,通常利用作业调度系统提交到高性能计算机上执行,结果数据存放在大容量磁盘阵列中;

之后是后处理过程,即对计算得到的数据进行分析处理,得到各种曲线和图形信息,这一过程同样对显示能力要求较高,通常在工作站上进行。

满足工业用户的需求,需要提供的不仅是高性能计算集群,还包括完整的人机交互环境。在新型CAD、CAE一体化技术产品的帮助下,工业化研发、设计实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。设计人员实现了从二维制图到三维设计的转变。有限元分析人员可以在结构件的三维实体几何图形上比较方便地用前处理划分网格,建立有限元模型,在计算机求解完成后用后处理显示计算结果,计算结果的可视化(动画显示)使计算结果一目了然。有限元分析和前、后处理功能不断发展和完善,越来越自动化和智能化,有限元分析计算结果的精度也在不断提高。CAE与CAD同步,CAD为CAE提供数字化特征模型,CAE指导CAD,CAE为CAD提供依据。CAD、CAE一体化技术的出现,使得工业流程得到了缩减,研发、设计过程基本融合,可大大缩短产品周期,提高产品质量。

针对流体力学、动力学分析相关的应用,计算服务器配置以双路的Intel、AMD平台最新架构CPU,通过高速InfiniBand网络进行连接,不仅能够保证单节点服务器的计算性能,也能满足高密度、可扩展的集群计算性能。针对电磁仿真、隐式静力学分析,推荐采用A840、I950等SMP服务器,不仅能够保证单节点内CPU计算能力,同时海量内存配置也能完全满足电磁仿真、静力学分析等有特别资源需求的应用。对于大容量、高密度IO需求,推荐采用并行文件系统。


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