gpu超算算法_新型超算加持！工程仿真软件发展迈入快车道

"基建狂魔的威力想必大家都有着亲身感受&＃xff0c;身边各种高难度的公路、铁路、桥梁与隧道建设都难不倒我国的企业&＃xff0c;在这方面我们一直处于领先位置。"

"但你知道吗&＃xff1f;在这些重大工程项目的背后&＃xff0c;几乎都是通过工程软件进行设计&＃xff0c;它们才是背后的英雄。我们基于GPU的离散元软件可以实现对国外软件的替代&＃xff0c;还带来了几十倍计算效率的提升"

这是南京大学地球科学与工程学院副教授刘春在HPC CHINA 2020新型工程仿真软件高性能计算发展分论坛中演讲的一段话&＃xff0c;也从侧面证实了基于新型超算体系架构下发展工程软件的新路径。

9月28日&＃xff0c;"新超算、新基建、新经济"为主题的HPC CHINA 2020大会在郑州正式开幕&＃xff0c;此次大会由中国计算机学会主办&＃xff0c;中国计算机学会高性能计算专业委员会、郑州大学、郑州航空港经济综合实验区承办&＃xff0c;并行科技协办。与往届不同&＃xff0c;本届大会采用线上线下结合的形式&＃xff0c;通过云端论坛、云端展览、云端赛事、颁奖等多方案进行。

作为HPC大会的重要组成部分&＃xff0c;新型工程仿真软件高性能计算发展论坛以线上直播形式呈现。北京并行科技股份有限公司行业合作总监、高级工程师郭宇担任主持&＃xff0c;来自南京大学地球科学与工程学院副教授刘春、Altair中国流体销售总监杨宇、舜云软件执行董事王溪、实云软件高级工程师张龙、达索软件高级咨询顾问余柳平、适创科技CAE算法工程师张子珂、ESI集团亚洲区域首席运营官Christopher St John等行业专家&＃xff0c;带来了依托新型超算体系结构下工业仿真软件发展方面的精彩演讲。

奔跑中的离散元软件MatDEM

刘春教授表示&＃xff1a;当前&＃xff0c;在新技术的驱动下人们在工程领域有了越来越多的建设需求&＃xff0c;但地质与工程的问题也在不断涌现。包括&＃xff0c;快速建模、沿途体变形和受力分析、大变形破坏、温度、水分、应力等等&＃xff0c;都需要工程仿真软件来协助。

在工程仿真软件中&＃xff0c;离散元软件可以用于模拟和分析颗粒物料的力学行为及其对物料处理设备的影响。目前已经被广泛的应用于采矿设备、工程农业机械、化工、钢铁、食品及医药等领域。

在离散元法中&＃xff0c;可以通过堆积和胶结一系列具有特定力学性质的颗粒来构建岩土体模型。还可以在最基本的线弹性模型中&＃xff0c;假定颗粒之间靠弹簧来相互接触和产生力的作用。基于经典的牛顿力学&＃xff0c;通过时间步迭代算法来计算颗粒的加速度和位移。进而实现宏观岩石和土体的变形和破坏过程模型。

现在&＃xff0c;世界发达国家已经将发展工业软件&＃xff0c;特别是高端工业软件&＃xff0c;作为国家核心竞争力的基本手段&＃xff0c;国外商业软件占据了中国工程仿真软件大部分市场。一个成熟的仿真软件&＃xff0c;需要10~20年的时间来完善。

离散元数值计算方法&＃xff0c;能够有效的模拟岩土体的非连续、不均匀性和大变形破坏。在地质岩土工程和能源开采等领域&＃xff0c;具有非常广泛的应用价值。

接下来&＃xff0c;我们来看看离散元法软件所面临着三大挑战&＃xff1a;

1、 计算量巨大。数值模拟通常需要迭代计算至少100万次。

2、 定量建模困难。堆积模型宏观力学性质与单元力学参数间的关系不明确&＃xff0c;需反复测试和调试。

3、 多场耦合理论未完善。现代工程中常常面临多场和多项耦合问题。

在此次论坛上&＃xff0c;刘春教授也为我们带来了磨砺10年研发而成的国产离散元软件MatDEM。该软件基于原创的矩阵离散元计算法和宏微观转换理论&＃xff0c;突破性地实现了数百万单元的模拟&＃xff0c;将离散元数值分析由试样尺度推进到工程应用&＃xff1b;并极大地降低了离散元建模的难度&＃xff0c;促进了软件的迅速推广应用。

针对离散元软件所面临的诸多挑战&＃xff0c;MatDEM也通过各种技术方式得以解决。MatDEM采用了GPU矩阵计算法和三维接触算法&＃xff0c;实现了每秒1500万次三维单元运动计算、二维4000万&＃xff0c;计算单元数和计算速度达到了国外商业软件的30倍以上(300万三维单元&＃xff0c;1000万二维单元)。软件实现了自动堆积建模&＃xff0c;分层赋材料&＃xff0c;节理面和荷载设置&＃xff0c;丰富的后处理功能和二次开发等。

软件发布以来&＃xff0c;已有来自30多个国家和地区数千次的下载&＃xff0c;并在地质、岩土、水利、农业和物理等领域得到了越来越多的应用。

值得关注的是&＃xff0c;MatDEM正依托于并行科技运营的超级云计算中心为用户进行服务。用户可以直接调用云平台的计算资源&＃xff0c;或者基于该平台进行开发&＃xff0c;而并不用担心硬件与运维等问题。

舜云shonDy软件&＃xff0c;帮助用户摆脱复杂

舜云软件执行董事王溪也带来了他们的三维流体多物理场数值仿真软件shonDy。

据王溪介绍&＃xff0c;随着算力资源的普及与价格下降&＃xff0c;相比于算力价格&＃xff0c;工程师花在前后处理上的人力成本越来越高&＃xff0c;原本需要大量算力的算法逐步有可能进入实际应用中&＃xff0c;普通的CAD设计文件经过简单处理后&＃xff0c;即可作为几何输入启动计算&＃xff0c;无需复杂的网格划分与处理。shonDy软件摆脱了仿真流程中复杂网格的束缚&＃xff0c;使数值模拟获得了更大的自由度。

在shonDy软件模拟中&＃xff0c;流体和固体被离散为若干运动单元&＃xff0c;离散单元的运动更加符合自然现实&＃xff0c;这种方法在复杂运动模式流固耦合和复杂自由界面等问题上有独特优势。

在实际应用方面&＃xff0c;上海一家企业使用舜云的仿真软件对新型电驱动后桥进行设计&＃xff0c;通过仿真改进了电驱后桥内部的挡板结构&＃xff0c;进一步提升了产品工作效率。

在海洋与船舶工程方面&＃xff0c;客户通过仿真软件对高速舰艇甲板上的海浪进行分析&＃xff0c;解决甲板上浪等问题&＃xff0c;从而优化船首设计。

此外还有油冷电机仿真&＃xff0c;模拟电机中油膜粒子被喷射、甩出等现象&＃xff0c;从而分析出电机内部换热系数以及覆盖率的分布&＃xff0c;之后可以进行系统级热平衡计算&＃xff0c;帮助工程师找到电机工作时的温度最高点。

此外&＃xff0c;此次论坛还有来自实云软件、达索软件、适创科技及ESI集团的专家精彩演讲。技术的进步带来更多更有效的工程仿真应用的同时&＃xff0c;也带来更高的价值。

从应用角度来看&＃xff0c;近年来工程仿真的发展趋势也有了很大变化&＃xff0c;小到糖果制造商大到汽车、飞机制造商&＃xff0c;他们都在利用仿真来优化生产线的制造工具&＃xff0c;以提高生产效率。

总的来看&＃xff0c;工程仿真软件早已成为工业领域不可或缺的一部分&＃xff0c;其地位举足轻重。随着IT技术的不断进步&＃xff0c;在新型超算架构发展的推动下&＃xff0c;工程仿真软件也有了新的变化。它们可以很好地支持GPU等加速技术&＃xff0c;搭配云化的超级计算中心能够更好地实现软件各种新功能&＃xff0c;让软件企业可以将更多精力投入到研发方面&＃xff0c;而不必担心硬件与运维。

工程仿真软件是一切现代科技上层建筑的根本&＃xff0c;只有做好它&＃xff0c;才能真正帮助企业实现数字化转型&＃xff0c;从而在激烈的竞争中博得先机。