Abaqus软件与并行计算的硬件配置

时间:2010-03-08 

现代CAE分析的发展对计算能力提出了越来越高的需求，Abaqus作为功能最为强大的CAE分析软件之一，在生产和研究中为各国的工程师和研究人员所广泛采用。Abaqus提供了强大的并行功能，它采用Threads和MPI两种并行模式，可应用于SMP 或者Cluster。本文不仅对Abaqus的并行计算的功能进行了简单介绍，而且在各种不同的操作平台上对不同分析算例进行了测试，提出了一套完整的解决方案，对于用户在Abaqus软件和硬件的选取都具有一定的参考作用。
一、CAE分析对高性能计算的需求
CAE就是用计算机辅助求解工程和产品的强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能以及性能的优化设计等问题的方法。从20世纪60年代初开始，CAE 技术逐渐被应用于解决复杂的工程分析计算问题。CAE 的广泛应用使得工程和产品的设计水平发生了质的飞跃。经历了40多年的发展历史，CAE 理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、汽车、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。
随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备，因此，要进行CAE 分析设计必须获得更高的计算能力，主要表现在：
要处理更多的工程数据：现代勘探和测量技术的发展，使得在设计、生产或施工前后都能获得大量的数据，数据的及时有效处理能为后继的、生产或施工提供有力的指导；
要处理更大规模的问题：为了提高分析的精度，必须采用更精密的网格划分、模拟更加精细的结构，使得问题规模不断扩大；
要完成更加困难的分析：在分析中要考虑更多的影响因素，不仅要处理线性弹性问题，还要处理非线性、塑性、流变、损伤以及多物理场的耦合等，分析起来更加困难；
要进行更深层次的优化：为了降低成本，提高经济效益，对设计要反复进行优化，而且优化的规模也日渐增加。
因此，如何的提高求解效率就成为比较重要的问题。Abaqus拥有高性能并行计算能力，将使CAE工程师能更快、更好地解决更大、更难的实际工程和产品设计问题，从而创造更多的价值。
二、Abaqus及其并行计算功能简介
Abaqus是一款功能强大的有限元分析软件，它有两个主求解器模块——Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。Abaqus不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，Abaqus在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
随着并行有限元分析的发展，Abaqus的并行计算日益成熟。Abaqus支持Threads和MPI两种模式的并行，Threads模式只能在SMP 系统上运行，而MPI模式则在SMP或者集群系统上都可以运行。Abaqus/Standard的并行求解器包括：具有动态负载均衡功能的并行直接稀疏矩阵求解器、基于区域分解的并行迭代求解器、并行Lanczos特征值求解器和并行AMS特征值求解器；Abaqus/Explicit的并行求解器也是基于区域分解的。
目前国内应用Abaqus的单位很多，当处理实际问题时，计算规模的增加非常快，1000万以上自由度的问题也并不鲜见，而20万左右自由度的问题在单机上进行计算时，要在合理的时间内得到一个分析结果已经非常困难，更不用说反复进行优化。这样单CPU的计算能力已经越来越难以满足实际计算的需求，因此我们需要采用多CPU并行计算来提高求解效率。