ANSYS多物理场耦合及高性能计算

演讲人：黄志新博士ANSYS多物理场耦合及高性能计算目录•ANSYS多物理场概述•ANSYS多物理场技术和方法•ANSYS高性能计算•以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德焊缝Solid1861CAE发展趋势--多物理场耦合CAE当前发展充满辩证思想单场多场系统细节Multi-DisciplinarySimulationMulti-LevelSimulation1物理场及物理量多物理场求解：多场多物理量（时间、空间分布和变化规律）场（Field）测量物理量力来源通量（Flux）场强×材料属性连续性势(Potential)场积分自由度1多物理场耦合物理场间传递的物理量或物理现象，构成了耦合的多物理场。传热学结构力学磁场流体力学电场目录•ANSYS多物理场概述•ANSYS多物理场技术和方法•ANSYS高性能计算•以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德2ANSYS多物理场耦合技术和方法ANSYS多物理场开发历史进程2ANSYS多物理场耦合技术和方法多物理场强调场与场间耦合方便。ANSYS提供直接耦合与顺序耦合2ANSYS多物理场耦合技术和方法•直接耦合分析类型热－结构电磁－热电磁－流体流体－结构磁场－结构静电－结构电流传导－磁场电磁－热－流体－结构电磁－热－结构热－流体电磁场－电路（场路耦合）电－结构－电路压电分析压阻分析热电效应分析结构－压电耦合热－压电耦合声学分析（流固耦合振动）声－结构耦合分析（静）流体－结构（静）流体－热（热流管道）……单元类型耦合场分析功能单元类型耦合场分析功能SOLID5结构－热－电－磁耦合，压电PLANE13结构－热－电－磁耦合，压电FLUID29结构－流体耦合，声学FLUID30结构－流体耦合，声学CONTAC48结构－热耦合接触CONTAC49结构－热耦合接触CONTAC171结构－热－电磁耦合接触CONTAC172结构－热－电磁耦合接触CONTAC173结构－热－电磁耦合接触CONTAC174结构－热－电磁耦合接触SOLID62结构－磁场耦合FLUID116热－流体耦合（管道单元）PLANE67热－电耦合LINK68热－电耦合（线单元）SOLID69热－电耦合SOLID98结构－热－电－磁耦合，压电CIRCU94压电－电路耦合CIRCU124电路－电磁场耦合SHELL157热－电耦合TRANS126静电－结构耦合（转换器单元）TRANS109静电－结构耦合（转换器单元）FLUID141结构－流体（CFD）耦合FLUID142结构－流体（CFD）耦合ROM144静电－结构耦合（降阶模型）PLANE223SOLID226SOLID227结构－热、压阻、压电、电弹性、热电效应、结构－热电效应、热－压电等多种耦合类型FLUID220,221结构－流体耦合，声学2ANSYS多物理场耦合技术和方法•WB中直接耦合应用热电(thermal-electric)耦合2ANSYS多物理场耦合技术和方法电磁场分析不同物理场，不同位置网格的尺寸需求可能不尽相同。直接耦合场在使用同一套网格情况下，可能无法准确地捕捉物理量突变。流场分析结构场分析2ANSYS多物理场耦合技术和方法顺序耦合方法手动方法物理场设置法•MFS（仅限于ANSYS内部求解器）•MFX（CFX或其他外部求解器）Multi-Field求解器WB架构法2ANSYS多物理场耦合技术和方法WB平台下的多物理场分析2ANSYS多物理场耦合技术和方法ANSYSWorkbench…Multi-physicsplatformDrag-Drop实现物理场耦合流程同一模型非同一模型2ANSYS多物理场耦合技术和方法•SystemCouplinginWorkbench•Providesworkflowswithaseriesofone-wayexchanges•Enablecollaborationbetweendifferentengineeringgroups.•SupportsavarietyofstaticdatasourcessuchasMechanical,CFD-Post,third-partysolvers,Excelspreadsheets,etc.•ProvidesaccesstoSystemCouplingfeatures•Mappingalgorithms,etc.AXDTFileAXDTFile[Name]fsin_1[Data]X(XCoordinate)[m],Y(YCoordinate)[m],Z(ZCoordinate)[m],Temperature(Temperature)[C],HeatRate(HeatRate)[W]-0.7599342E+00,0.6500000E+00,0.1580677E+01,0.1242852E+03,0.2753702E+04…[Faces]31,30,37,36…AXDTFile2ANSYS多物理场耦合技术和方法•ExternalDatasystemcanbeconnectedtoSystemCouplingasaproviderofstaticthermaldataforone-wayFSIAXDTFileANSYSExternalDataText•Simpletextfile•BaseduponCFD-Postimport/exportformatExternalDatatoSystemCoupling2ANSYS多物理场耦合技术和方法ANSYSWorkbench…Multi-physicsplatformDrag-Drop实现物理场耦合流程ANSYSCFX,FLUENT,ICEPARK（温度）-----ANSYSmechanic（热应力）2ANSYS多物理场耦合技术和方法ANSYSCFX+ANSYSThermal+ANSYSMechanical汽车排气歧管流动分析--换热系数--温度场计算汽车排气歧管流动分析--压力排气歧管结构分析ANSYSWorkbench:IntegratedSimulationProcess多种方法实现流固双向耦合2ANSYS多物理场耦合技术和方法Maxwell+ANSYSThermal+ANSYSMechanical电机磁场焦耳热--温度计算电机磁场电磁力电机结构分析2ANSYS多物理场耦合技术和方法Maxwell+ANSYSFluent变压器磁场焦耳热--温度场、流场计算Maxwell网格欧姆损耗流场网格传递界面Fluent导入后焦耳热Fluent温度场结果2ANSYS多物理场耦合技术和方法HFSS+ANSYSThermal+ANSYSMechanical天线高频磁场阻抗损耗--温度计算--天线结构分析HFSS整合到耦合场计算目录•ANSYS多物理场概述•ANSYS多物理场技术和方法•ANSYS高性能计算•以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德高性能计算•高性能计算，HPC(HighPerformanceComputing)•求解更大规模的模型，让数值计算的模型更接近真实的模型，计算出更高的精度。•同一规模的算例求解的时间更短，或在单位时间内求解的次数更多•CAEHPC目的就是要以更低的成本(最短的时间、最少的人力、最少的资金)，更真实地模拟物理世界•将软件与硬件充分融合，发挥最大的效益典型的高性能系统的软硬件构成•硬件系统•CPU•互联•内存•存储•系统软件•操作系统,硬件驱动•并行计算中间件(PVM,MPI)•任务调度负载均衡软件•应用软件•FEA•CFD•CEM高性能计算系统硬件选择•处理器(核数+主频):（决定求解速度）•CPU主频越高，单核的求解速度越快•多核求解进程可以缩短求解时间•*注意:两核以上的求解需要更多的HPClicense•两种互联模式（不同算法，有所差异）•Sharedmemory(SMP)singlebox,workstation/server•Distributedmemory(DMP)multipleboxes,clusterNCSATeraGridIA-64LinuxClusterHPZ800Workstation高性能计算系统硬件选择•内存:（决定求解规模）•一般来说，每百万自由度或节点的模型需要1-1.5G的内存(根据算法会有不同）•建议以incore方式求解（隐式结构求解器）•建议内存在24Gb到48Gb以上•存储（容量+速度）:（影响求解速度）•硬盘容量需要足够大，用来保证求解过程中的临时文件和永久文件的存储•建议至少两块硬盘，采用RAID模式内存与I/O存储的要求高性能计算系统硬件选择•显存：（前后处理模型的显示速度）•需要足够的显存进行图形显示•建议专业级的图卡•GPU：（参与计算）•支持ANSYSMechanical15.0计算（SMP和DMP）•支持ANSYSFluent15.0计算•支持NVIDIAANDAMD等GPU•**HPCandHPCPack支持GPU高性能计算系统硬件选择•操作系统选择•64bitOShighlyrecommended,evenifPrep/postonly.•NoOSpreferences:bothWindowsorLinuxaregreatforSolution主流CAE软件的分类•隐式结构有限元算法•ANSYSmechanical•显式结构有限元算法•LS-DYNA•AUTODYN•CFD求解器•FLUENT•CFXANSYS仿真产品流体仿真电子散热ANSYSIcepak通用流体ANSYSCFD结构仿真隐式ANSYSMechanical显式ANSYSExplicitSTRANSYSLS-DYNA多物理场仿真ANSYSMultiphysics隐式结构有限元算法HPC特性•大内存：主/从计算进程所需内存不均衡•高性能磁盘I/O：需要持续的高性能磁盘I/O(尤其是主进程)•高性能互联：计算进程间低延迟、高带宽的消息传递(MPI)24831389835633301050010001500200025003000124816AMDOpteronShanghai,2.7Ghz,RHEL5,16GB,SAS,16coresANSYS11.0SP1BMD-6,1MDOF,Modal,DLANPCG显式结构有限元算法HPC特性•内存建议最大4GB/核•需大容量磁盘•需高性能互联(s)Nodes/CoresWoodcrest5160(3.0G)/Infiniband各类CFD求解器HPC特性•内存最大2~4GB/核，主从进程内存需求较均匀•中小问题求解过程磁盘I/O要求不高，断续读写•高性能互联有助于提高并行度(32核)Name:perf_CombEDMDESCRIPTION:CombustionEDMexampleVariantofcombustoreddydissipationtutorialNumberofnodes:245,411No.ofElements:959,976(tet/prism/pyramid)ANSYSMechanicalHPC算例•飞机机翼模型,1百万自由度,•ANSYS分布式稀疏矩阵求解器(DistributedSparse),in-core。•IntelNehalem集群•IntelMPI•Infiniband•Linuxx64•使用32核(4个计算节点)、2个ANSYSHPCPACK(支持32核求解),相对2个核(ANSYSMechanical缺省允许2个核)的总体计算性能是10.5倍！3415579674602601480200400600800100012001400160018002481632TotalTime(seconds)ANSYSCFDHPC算例•CFX并行效率大幅提升，