Abaqus軟件與并行計(jì)算的硬件配置

現(xiàn)代CAE分析的發(fā)展對(duì)計(jì)算能力提出了越來(lái)越高的需求，Abaqus作為功能最為強(qiáng)大的CAE分析軟件之一，在生產(chǎn)和研究中為各國(guó)的工程師和研究人員所廣泛采用。Abaqus提供了強(qiáng)大的并行功能，它采用Threads和MPI兩種并行模式，可應(yīng)用于SMP 或者Cluster。本文不僅對(duì)Abaqus的并行計(jì)算的功能進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，而且在各種不同的操作平臺(tái)上對(duì)不同分析算例進(jìn)行了測(cè)試，提出了一套完整的解決方案，對(duì)于用戶(hù)在Abaqus軟件和硬件的選取都具有一定的參考作用。

一、CAE分析對(duì)高性能計(jì)算的需求

CAE就是用計(jì)算機(jī)輔助求解工程和產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、彈塑性等力學(xué)性能以及性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題的方法。從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，CAE 技術(shù)逐漸被應(yīng)用于解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題。CAE 的廣泛應(yīng)用使得工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷史，CAE 理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過(guò)程，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中(如航空、航天、機(jī)械、汽車(chē)、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)力學(xué)各類(lèi)問(wèn)題的一種重要手段。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備，因此，要進(jìn)行CAE 分析設(shè)計(jì)必須獲得更高的計(jì)算能力，主要表現(xiàn)在：
要處理更多的工程數(shù)據(jù)：現(xiàn)代勘探和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或施工前后都能獲得大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的及時(shí)有效處理能為后繼的、生產(chǎn)或施工提供有力的指導(dǎo)；
要處理更大規(guī)模的問(wèn)題：為了提高分析的精度，必須采用更精密的網(wǎng)格劃分、模擬更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)，使得問(wèn)題規(guī)模不斷擴(kuò)大；
要完成更加困難的分析：在分析中要考慮更多的影響因素，不僅要處理線(xiàn)性彈性問(wèn)題，還要處理非線(xiàn)性、塑性、流變、損傷以及多物理場(chǎng)的耦合等，分析起來(lái)更加困難；
要進(jìn)行更深層次的優(yōu)化：為了降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)設(shè)計(jì)要反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，而且優(yōu)化的規(guī)模也日漸增加。
因此，如何的提高求解效率就成為比較重要的問(wèn)題。Abaqus擁有高性能并行計(jì)算能力，將使CAE工程師能更快、更好地解決更大、更難的實(shí)際工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而創(chuàng)造更多的價(jià)值。

二、Abaqus及其并行計(jì)算功能簡(jiǎn)介

Abaqus是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，它有兩個(gè)主求解器模塊——Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線(xiàn)性問(wèn)題。Abaqus不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究，Abaqus在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。
隨著并行有限元分析的發(fā)展，Abaqus的并行計(jì)算日益成熟。Abaqus支持Threads和MPI兩種模式的并行，Threads模式只能在SMP 系統(tǒng)上運(yùn)行，而MPI模式則在SMP或者集群系統(tǒng)上都可以運(yùn)行。Abaqus/Standard的并行求解器包括：具有動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡功能的并行直接稀疏矩陣求解器、基于區(qū)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區(qū)域分解的。
目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用Abaqus的單位很多，當(dāng)處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，計(jì)算規(guī)模的增加非?？?，1000萬(wàn)以上自由度的問(wèn)題也并不鮮見(jiàn)，而20萬(wàn)左右自由度的問(wèn)題在單機(jī)上進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要在合理的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)分析結(jié)果已經(jīng)非常困難，更不用說(shuō)反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。這樣單CPU的計(jì)算能力已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足實(shí)際計(jì)算的需求，因此我們需要采用多CPU并行計(jì)算來(lái)提高求解效率。