CAE仿真的并行实现 - 文章

CAE仿真的并行实现

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近来CAE技术突破性进展，导致在分布式共享存储器环境下CAE仿真的并行度达到新的高度。但是要想得到处理100个处理器的并行功能，用户必须考虑一下系统软件的性能、系统的结构。

一、CAE仿真的并行方法

传统工业诸如汽车、宇航和电站正面临要求越来越短的开发周期，并且满足安全、环保和燃料充分利用的全面挑战。在富有竞争的商业环境中，传统工业也需要高质量和设计优良的产品。随着计算机辅助工程（CAE）技术的不断发展，仿真给业界提供辅助设计的有关方法。

历史上，CAE仿真对工业设计的影响有限。因为建模和解决问题的时间不能满足开发进度的要求。在20世纪80年代，矢量体系结构计算机大大改善了CAE仿真的速度问题，但是这种改善是以很高的费用为代价的。精简指令集计算机（RISC）在20世纪90年代的出现，提高了性能价格比，但是基于总线共享内存并行操作的规模不能超过8个处理器以上。

最近在并行计算方面的发展证明了分布式共享内存系统CAE并行运算的性能可以很容易超过矢量计算机。性能价格比高是这种系统最富有吸引力的地方。在许多工业领域中，这种趋势近来已经影响了CAE技术用户的投资方向。

过去3年中，在可伸缩系统和并行CAE软件上，汽车工业已经作出许多重大投资。据估计，仅1999年1年中，底特律三大汽车OEM的总的Gflop计算能力增长了两倍以上。在防撞性仿真、噪音震动和啸叫声（NVH）的分析和计算机流体动力学（CFD）仿真方面，由于商业化CAE软件的有效并行实现，它的应用日益广泛。

一个系统的架构能否达到高度并行有效性，变得越来越重要。开发并行CAE应用软件可以提高这种能力。从硬件和软件的算法看，概略地可以把CAE仿真"行为"分为三类来考虑：隐式、用于结构力学的显式有限元分析（FEA）和用于流体力学的CFD。关于并行实现的规模，以上三类每一类都有它内在的复杂性，这种复杂性依赖于并行方案的选择。

大部分商业CAE软件使用基于域分解方法的分布式内存并行（DMP）方案。这种方法根据所需要的计算工作把整个解决方案域分成许多大致相等的分区。每个分区和在分区之间传输的信息，在一个独立的处理器中进行处理。为了保持整个解决方案的一致性，分区之间的信息通过MPI（消息传递接口）传输。

有效的并行方法其他方案有，共享内存并行（SMP）实现和把DMP和SMP联合在一起的混合并行方法。而且混合并行方法得到越来越普遍的应用，它包括了Eulerian和Lagrangian力学的混合，例如燃烧的仿真。

二、未来的发展方向

近来在可扩展的CAE仿真方面取得了突破性进展，研究部门与工业界将继续增加它们在CAE技术方面的投资，把它作为产品和过程设计的辅助工具。这完全是由经济利益和可扩展的CAE对开发过程所带来的质量改善所驱动的。

用于瞬时状态的CFD仿真已经达到了它用于工业化应用的水平。用于瞬时流态的仿真能力包括自动推进的电力火车汽缸内部燃烧的应用、交通工具对于正在转动的飞轮和正在地面滑行的飞机的空气动力学的应用、商业航行器用于非巡航状态的空气动力学的应用、大量涡轮机器用于压缩机，燃烧室的热空气流动的应用、涡轮设计的应用等，都上了一个新台阶。

结构FEA仿真目前正经历一个从确定性到不确定性的历史性转变。对单个FEA分析的变化不大，高度并行随机技术正被应用于更好地解决诸如材料特性分析、测试条件，制造和装配等方面高设计中不确定性问题。显式FEA方法在特殊情况下适合于不确定性仿真。

使用显式FEA动力学进行高度短暂的非线性造型，诸如汽车等交通工具的碰撞，气囊与驾驶员的交互作用和飞机与飞鸟的碰撞都呈现出实际参数的分散性。随机仿真发展表明，CAE仿真正朝着单学科与多学科结合的方向发展。近来，蒙特卡洛随机方法已经应用于汽车设计中NVH和防撞性研究。

三、结论

进行高效的并行CAE仿真必须考虑到许多方面，如CAE并行算法设计，系统软件性能问题，还有硬件的通信结构。增强并行可扩展能力的研究将继续在软硬件方面发展下去，这将使造型分辨率进一步提高成为可能。的确，可扩展CAE仿真已表明它可以全面地应用于科技和工业部门中，并且随着技术的发展，在工业设计中将继续得到进一步的推进。 (end)

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2006-6-2，阅读1808次)

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