集群網(wǎng)絡(luò)中汽車碰撞的并行計算
時間：2008-12-09 14:49:00
來源：UltraLAB圖形工作站方案網(wǎng)站
人氣：7551
作者：admin
摘要：汽車碰撞是一種包含幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的大規(guī)模沖擊接觸問題。這類復雜問題的數(shù)值模擬極為耗時，在沒有超級計算機的條件下，很難獲得滿意的計算精度和計算效率。在普通實驗室條件下，本文采用Linux系統(tǒng)和MPI 并行平臺，通過百兆以太網(wǎng)組建了使用靈活、可擴展性強、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算系統(tǒng)，滿足了汽車碰撞數(shù)值模擬對存儲規(guī)模和計算速度的迫切要求。某輕型客車的數(shù)值算例表明，該系統(tǒng)具有很高的并行計算效率，對汽車結(jié)構(gòu)耐撞性研究提供了非常先進的計算環(huán)境。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)集群系統(tǒng) 并行計算 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性 大規(guī)模沖擊接觸 有限元法
Numerical Simulation of Automotive Collision using Clustered Parallel Computers
Kong Fanzhong, Zhang Jinhuan, Wang Dazhi, Huang Shilin
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] With large deformation, the behavior of impact-contact computation presents geometric non-linearity, material non-linearity and boundary condition non-linearity such as automotive collision. Because of its complexity, numerical simulation of automotive collision is very time-consuming. So it is very difficult to obtain satisfactory computational accuracy and efficiency without supper-computers. In order to fulfill the needs for computational speed and capacities, which is incurred in automotive collision computing, a low-cost and high-performance clustered parallel computers platform has been set up based on the Redhat-Linux system and MPI parallel platform through the 100M Ethernet. Numerical example for a minibus indicates that the clustered parallel computers platform has a very high computational parallel efficiency and supplies a very good computational condition for the research on automotive crashworthiness.
Key words: clustered parallel computers parallel computation automotive crashworthiness large-scale impact-contact the finite element method
1 引言
大規(guī)模沖擊接觸問題是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的復雜問題[1~2]，它存在于許多工程領(lǐng)域，如汽車碰撞和金屬成形等，對該問題的研究具有非常重要的工程意義。有限元法作為一種精確高效的數(shù)值分析方法，在大規(guī)模沖擊接觸問題的分析中得到越來越廣泛的應用[3~4]。并行計算是提高計算能力、求解復雜問題的有效手段。利用并行計算，可以充分發(fā)揮有限元法的優(yōu)勢，解決在串行方式下因規(guī)模大、時間長而難以很好解決的大規(guī)模沖擊接觸問題。
汽車碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問題，汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的數(shù)值模擬，體現(xiàn)了目前大變形條件下沖擊接觸問題的研究水平。為了能夠模擬汽車結(jié)構(gòu)局部的變形與接觸，一輛整車模型至少需要包含6~10 萬個單元，30 ~ 50 萬個自由度[1,5]，參考汽車碰撞安全性法規(guī)，一般采用48 ~ 50km/h 的速度與剛性墻正面碰撞作為標準計算方案，以評價汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性能[6-7]。對于大規(guī)模沖擊接觸問題的數(shù)值模擬，典型的分析程序有PAM-CRASH，MSC.DYTRAN 和DYNA3D 等三維非線性動態(tài)有限元分析軟件。其中，DYNA3D 已經(jīng)發(fā)展成為汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析的標準化軟件[8]，對汽車設(shè)計和質(zhì)量評估，具有非常重要的參考意義。
從已發(fā)表的文獻來看，要計算一輛包含有10 萬個單元整車的動態(tài)響應，在微機上尚很難進行，大多是在CRAY、IBM SP2 等超級計算機上進行計算[9]，一個碰撞方案一般需要計算數(shù)十小時。例如，當年計算一輛由20000 個殼單元和140 個梁單元所組成的Benz 轎車在100ms 內(nèi)的響應情況，在CRAY Y-MP 4/216超級計算機上需要15 個CPU 小時[1]。 #p#page_title#e#
基于對上述情況的了解，首先對大規(guī)模沖擊接觸問題的求解過程進行了描述，從而闡明求解此類問題采用并行計算技術(shù)是非常必要的。然后，立足研究室現(xiàn)有的計算條件，提出并組建了8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算系統(tǒng)，滿足了大規(guī)模沖擊接觸問題對存儲規(guī)模和計算速度的迫切要求。該并行計算系統(tǒng)在某輕型客車耐撞性的改進設(shè)計中發(fā)揮了重要作用，給出的數(shù)值算例表明該系統(tǒng)具有很高的并行計算效率。
2 汽車碰撞的顯示積分求解格式
汽車碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問題。汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的分析模型除了要滿足運動平衡方程、應變位移關(guān)系、應力應變關(guān)系及相應的初始條件和邊界條件外，還要滿足動態(tài)接觸約束條件。把動態(tài)接觸約束條件引入虛位移原理，可得到t 時刻的平衡方程[10]
在方程（1）的右端，第四項代表與接觸條件有關(guān)的泛函。如果接觸力fc和貫入量uc是相互獨立的變量，那么該泛函可以分解為兩項，如下式所示[10]
方程（5）所示的中心差分法是一種非常有效的顯式算法，求解時無需形成剛度矩陣，基本上可以在單元一級進行求解，可以避免剛度矩陣的求逆，計算上的好處是顯而易見的。另外，中心差分法是條件穩(wěn)定算法，穩(wěn)定性準則能自動限制時間步長的大小，從而保證了積分的精度。
為了能夠計算出方程（5）中的接觸力tFc，也就是方程（2）或式（3）中的表面積分，必須先確定接觸邊界Sc，需要有相應的接觸搜索算法和接觸力算法。大規(guī)模動態(tài)接觸問題的接觸搜索過程可以分為兩個階段：全局搜索和局部搜索。全局搜索就是要粗略地確定可能發(fā)生接觸的結(jié)點和單元，即找出潛在的接觸塊。局部搜索就是要針對已經(jīng)找到的潛在接觸塊，精確定位結(jié)點與單元之間的接觸狀態(tài)、接觸位置及貫入量[12]。在每一個時間步長內(nèi)，利用有效的接觸搜索和接觸力算法判斷結(jié)點和單元的接觸狀態(tài)，最終得到計算結(jié)果。
3 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺的組建和調(diào)試
對于一輛整車的碰撞模擬，一般要包含數(shù)十萬個單元，采用中心差分法利用顯示積分格式進行計算，通常要計算數(shù)十萬個時間步長，因此，借助并行計算平臺是非常必要的。Belytscko 專為并行環(huán)境建立了接觸算法，從而使得DYNA3D 軟件具有很好的并行計算能力。為此，本文組建了如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺。
計算機設(shè)備：8 臺相同的高性能微機（PIV2.0G CPU / 512M RAM / 100M 網(wǎng)卡）
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：選用Cisco 公司生產(chǎn)的高性能100M 以太網(wǎng)交換機（switch）
操作系統(tǒng)：使用RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)，它是源代碼公開的多用戶操作系統(tǒng)，可免費獲得。
并行平臺：采用最新版的并行平臺MPI（lamMPI6.5.6-tcp）
計算模塊：采用功能強大的LS-Dyna3Dmpp960 并行計算軟件
#p#page_title#e#
3.2 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算環(huán)境的組建和調(diào)試
(1) 如圖1 所示，把參與并行計算的8 臺結(jié)點機接入并行計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在每一臺結(jié)點機上安裝最新版的RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)。
(2) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以root 登錄，配置/etc/hosts 文件，并在每一臺結(jié)點機上測試ping 其他結(jié)點機，確保各個結(jié)點機之間通訊正常。
(3) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以root 登錄，安裝lam/MPI 并行消息傳遞平臺lam-6.5.6-tcp，并添加用戶賬號。
(4) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以新賬戶登錄，在新賬戶的根目錄下，編輯 .rhosts 文件，把所有結(jié)點機的hostname 寫入。
(5) 測試運行環(huán)境：在所有結(jié)點機上，以新賬戶登錄，執(zhí)行命令rsh mpi** echo hello，如果全部返回hello, 則表明運行環(huán)境配置正確；如提示輸入password，請檢查每臺結(jié)點機的設(shè)置是否正確。在新用戶根目錄，編輯文本文件hosts.list，寫入所有結(jié)點機的主機名（如果一臺機器有兩個CPU， 則重復這一行），執(zhí)行l(wèi)amboot –v hosts.list，如果看到提示：
Executing hboot on n0 (mpi01 - 1 CPUs)...
Executing hboot on n0 (mpi02 - 1 CPUs)...
……
Executing hboot on n0 (mpi05 - 2 CPUs)...
topology done
則說明每臺機器的并行環(huán)境lam/MPI 配置正確，并行消息傳遞可以正常進行；如提示輸入password或其他錯誤提示，需要重新配置。
安裝LSTC/LS-DYNA MPP 960，編輯新用戶根目錄下的 .bashrc 文件，設(shè)置計算和授權(quán)文件路徑，然后提取機器信息，將生成的lstc.log 文件發(fā)往軟件經(jīng)銷商處獲取授權(quán)即可。
4 某輕型客車正面碰撞的數(shù)值模擬
4.1 有限元計算模型
某輕型客車以初速度48km/h 與剛性墻正面碰撞，該車的有限元計算模型如圖2 所示，包含165708 個單元，106242 個結(jié)點，約60 萬自由度，前部吸能區(qū)定義自接觸，使用本研究室最先進的微機（PIV2.0G CPU/ 1.0G RAM）計算80ms 內(nèi)的響應，需要計算193600 個時間步長，數(shù)十小時才能完成。對該車進行耐撞性改進設(shè)計需要分析上百個可能的改進方案，計算量巨大，時間緊迫，因此，僅僅依靠單機在短時間內(nèi)完成這些計算是不可想象的。
使用網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺進行計算，得到的并行計算結(jié)果如表1 和圖3 ~ 圖5 所示。
利用網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺，分析了100 多個可能的改進方案，最終得到耐撞性改進優(yōu)選方案。圖6為改進前后車架右B柱下測點的加速度對比曲線，從圖中可見，改進前該測點的加速度峰值很高（約92.1g），加速度脈寬很窄，改進后的模擬加速度峰值大大降低（約62.3g），脈寬有所增加，這表明該車改進后的耐撞性大大提高。改進后該測點模擬加速度曲線與實測曲線的波形變化基本吻合，峰值相差不大（實測峰值約58.7g），這表明本文的計算模型和計算結(jié)果是可靠的。
5 總結(jié)
(1) 針對大規(guī)模沖擊接觸問題的數(shù)值模擬極為耗時，立足普通實驗室的現(xiàn)有計算條件，組建了使用靈活、可擴展性強、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺，滿足了大規(guī)模沖擊接觸問題對存儲規(guī)模和計算速度的迫切要求，該系統(tǒng)可以在國內(nèi)的普通實驗室中推廣使用。
(2) 對某輕型客車的正面碰撞過程進行了數(shù)值計算，表明本文組建的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺具有很高的并行計算效率，通過大量數(shù)值模擬，提出汽車結(jié)構(gòu)耐撞性改進優(yōu)選方案，取得很好的改進效果。 #p#page_title#e#
(3) 應該指出的是，網(wǎng)絡(luò)集群并行計算是通用的計算技術(shù)，它不僅僅適用于提高大規(guī)模沖擊接觸問題的計算規(guī)模，還可以適用于其他的科學計算領(lǐng)域。它構(gòu)造簡單，使用靈活，只需要很少的投資就可以大大提高計算能力。因此，立足普通實驗室現(xiàn)有的計算條件，組建各具特色的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺具有非常重要的實際意義。
參考文獻
1 Schweizerhof K, Nilsson L and Hallquist JO. Crashworthiness analysis in the automotive industry. International Journal of Computer Applications in Technology, 1992, 5(2-4): 134~156
2 Bittencourt E, Creus GJ. Finite element analysis of three-dimensional contact and impact in large deformation problems. Computers and Structures, 1998, 69: 219~234
3 Lin FH, Tseng AA. A finite element analysis of elasto-plastic contact problems in metal forming. Materials and Design, 1998, 19: 99~108
4 Vasudevan S. Okada H and Atluri SN. Development of a new frame finite element for crash analysis using a mixed variational principle and rotations as independent variables, Finite Elements in Analysis and Design. 1996, 23: 155~171
5 Elsner B, Galbas HG, Gorg B, et al.. A parallel multi-level approach for contact problems in crashworthiness simulation, 3rd International Conference in Computational Structures Technology, Budapest, Hungary, 1996
6 Walker B. The crash analysis of a passenger vehicle under differing frontal crash conditions. SAE Paper 932910, 1993
7 Saha NK. Simulation of frontal barrier offset impacts and comparison of intrusions and decelerations. SAE Paper 950647, 1995
8 Schauer DA, Hoover CG, Kay GJ. Crashworthiness simulations with DYNA3D. Transportation Research Record, 1996, 1528: 124~129
9 Whirley RG and Engelmann BE. Automatic contact in DYNA3D for vehicle crashworthiness. Crashworthhiness and Occupant Protection in Transportation Systems, Proceedings of the 1993 ASME Winter Annual Meeting, ASME Applied Mechanics Division, 1993, 15~29
10 Vasudevan S. Okada H and Atluri SN. Development of a new frame finite element for crash analysis using a mixed variational principle and rotations as independent variables. Finite Elements in Analysis and Design. 1996, 23: 155~171
11 Zhong ZH. Finite Element Procedures for Contact-Impact Problems. Oxford University Press, Oxford, 1993
12 Wang SP, Nakamachi E. The inside-outside contact search algorithm for finite element analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1997; 40(19): 3665~3685
13 Hallquist JO. LS-DYNA Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation, Livermore California, 1998
14 Whirley RG, Engelmann BE. Automatic contact algorithm in DYNA3D for crashworthiness and impact problems. Nuclear Engineering and Design. 1994;150(2-3): 225~233(end)
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)集群系統(tǒng) 并行計算 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性 大規(guī)模沖擊接觸 有限元法
Numerical Simulation of Automotive Collision using Clustered Parallel Computers
Kong Fanzhong, Zhang Jinhuan, Wang Dazhi, Huang Shilin
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] With large deformation, the behavior of impact-contact computation presents geometric non-linearity, material non-linearity and boundary condition non-linearity such as automotive collision. Because of its complexity, numerical simulation of automotive collision is very time-consuming. So it is very difficult to obtain satisfactory computational accuracy and efficiency without supper-computers. In order to fulfill the needs for computational speed and capacities, which is incurred in automotive collision computing, a low-cost and high-performance clustered parallel computers platform has been set up based on the Redhat-Linux system and MPI parallel platform through the 100M Ethernet. Numerical example for a minibus indicates that the clustered parallel computers platform has a very high computational parallel efficiency and supplies a very good computational condition for the research on automotive crashworthiness.
Key words: clustered parallel computers parallel computation automotive crashworthiness large-scale impact-contact the finite element method
1 引言
大規(guī)模沖擊接觸問題是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的復雜問題[1~2]，它存在于許多工程領(lǐng)域，如汽車碰撞和金屬成形等，對該問題的研究具有非常重要的工程意義。有限元法作為一種精確高效的數(shù)值分析方法，在大規(guī)模沖擊接觸問題的分析中得到越來越廣泛的應用[3~4]。并行計算是提高計算能力、求解復雜問題的有效手段。利用并行計算，可以充分發(fā)揮有限元法的優(yōu)勢，解決在串行方式下因規(guī)模大、時間長而難以很好解決的大規(guī)模沖擊接觸問題。
汽車碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問題，汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的數(shù)值模擬，體現(xiàn)了目前大變形條件下沖擊接觸問題的研究水平。為了能夠模擬汽車結(jié)構(gòu)局部的變形與接觸，一輛整車模型至少需要包含6~10 萬個單元，30 ~ 50 萬個自由度[1,5]，參考汽車碰撞安全性法規(guī)，一般采用48 ~ 50km/h 的速度與剛性墻正面碰撞作為標準計算方案，以評價汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性能[6-7]。對于大規(guī)模沖擊接觸問題的數(shù)值模擬，典型的分析程序有PAM-CRASH，MSC.DYTRAN 和DYNA3D 等三維非線性動態(tài)有限元分析軟件。其中，DYNA3D 已經(jīng)發(fā)展成為汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析的標準化軟件[8]，對汽車設(shè)計和質(zhì)量評估，具有非常重要的參考意義。
從已發(fā)表的文獻來看，要計算一輛包含有10 萬個單元整車的動態(tài)響應，在微機上尚很難進行，大多是在CRAY、IBM SP2 等超級計算機上進行計算[9]，一個碰撞方案一般需要計算數(shù)十小時。例如，當年計算一輛由20000 個殼單元和140 個梁單元所組成的Benz 轎車在100ms 內(nèi)的響應情況，在CRAY Y-MP 4/216超級計算機上需要15 個CPU 小時[1]。 #p#page_title#e#
基于對上述情況的了解，首先對大規(guī)模沖擊接觸問題的求解過程進行了描述，從而闡明求解此類問題采用并行計算技術(shù)是非常必要的。然后，立足研究室現(xiàn)有的計算條件，提出并組建了8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算系統(tǒng)，滿足了大規(guī)模沖擊接觸問題對存儲規(guī)模和計算速度的迫切要求。該并行計算系統(tǒng)在某輕型客車耐撞性的改進設(shè)計中發(fā)揮了重要作用，給出的數(shù)值算例表明該系統(tǒng)具有很高的并行計算效率。
2 汽車碰撞的顯示積分求解格式
汽車碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問題。汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的分析模型除了要滿足運動平衡方程、應變位移關(guān)系、應力應變關(guān)系及相應的初始條件和邊界條件外，還要滿足動態(tài)接觸約束條件。把動態(tài)接觸約束條件引入虛位移原理，可得到t 時刻的平衡方程[10]
在方程（1）的右端，第四項代表與接觸條件有關(guān)的泛函。如果接觸力fc和貫入量uc是相互獨立的變量，那么該泛函可以分解為兩項，如下式所示[10]
方程（5）所示的中心差分法是一種非常有效的顯式算法，求解時無需形成剛度矩陣，基本上可以在單元一級進行求解，可以避免剛度矩陣的求逆，計算上的好處是顯而易見的。另外，中心差分法是條件穩(wěn)定算法，穩(wěn)定性準則能自動限制時間步長的大小，從而保證了積分的精度。
為了能夠計算出方程（5）中的接觸力tFc，也就是方程（2）或式（3）中的表面積分，必須先確定接觸邊界Sc，需要有相應的接觸搜索算法和接觸力算法。大規(guī)模動態(tài)接觸問題的接觸搜索過程可以分為兩個階段：全局搜索和局部搜索。全局搜索就是要粗略地確定可能發(fā)生接觸的結(jié)點和單元，即找出潛在的接觸塊。局部搜索就是要針對已經(jīng)找到的潛在接觸塊，精確定位結(jié)點與單元之間的接觸狀態(tài)、接觸位置及貫入量[12]。在每一個時間步長內(nèi)，利用有效的接觸搜索和接觸力算法判斷結(jié)點和單元的接觸狀態(tài)，最終得到計算結(jié)果。
3 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺的組建和調(diào)試
對于一輛整車的碰撞模擬，一般要包含數(shù)十萬個單元，采用中心差分法利用顯示積分格式進行計算，通常要計算數(shù)十萬個時間步長，因此，借助并行計算平臺是非常必要的。Belytscko 專為并行環(huán)境建立了接觸算法，從而使得DYNA3D 軟件具有很好的并行計算能力。為此，本文組建了如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺。
圖1 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺示意圖
計算機設(shè)備：8 臺相同的高性能微機（PIV2.0G CPU / 512M RAM / 100M 網(wǎng)卡）
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：選用Cisco 公司生產(chǎn)的高性能100M 以太網(wǎng)交換機（switch）
操作系統(tǒng)：使用RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)，它是源代碼公開的多用戶操作系統(tǒng)，可免費獲得。
并行平臺：采用最新版的并行平臺MPI（lamMPI6.5.6-tcp）
計算模塊：采用功能強大的LS-Dyna3Dmpp960 并行計算軟件
#p#page_title#e#
3.2 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計算環(huán)境的組建和調(diào)試
(1) 如圖1 所示，把參與并行計算的8 臺結(jié)點機接入并行計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在每一臺結(jié)點機上安裝最新版的RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)。
(2) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以root 登錄，配置/etc/hosts 文件，并在每一臺結(jié)點機上測試ping 其他結(jié)點機，確保各個結(jié)點機之間通訊正常。
(3) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以root 登錄，安裝lam/MPI 并行消息傳遞平臺lam-6.5.6-tcp，并添加用戶賬號。
(4) 在所有參與計算的結(jié)點機上，以新賬戶登錄，在新賬戶的根目錄下，編輯 .rhosts 文件，把所有結(jié)點機的hostname 寫入。
(5) 測試運行環(huán)境：在所有結(jié)點機上，以新賬戶登錄，執(zhí)行命令rsh mpi** echo hello，如果全部返回hello, 則表明運行環(huán)境配置正確；如提示輸入password，請檢查每臺結(jié)點機的設(shè)置是否正確。在新用戶根目錄，編輯文本文件hosts.list，寫入所有結(jié)點機的主機名（如果一臺機器有兩個CPU， 則重復這一行），執(zhí)行l(wèi)amboot –v hosts.list，如果看到提示：
Executing hboot on n0 (mpi01 - 1 CPUs)...
Executing hboot on n0 (mpi02 - 1 CPUs)...
……
Executing hboot on n0 (mpi05 - 2 CPUs)...
topology done
則說明每臺機器的并行環(huán)境lam/MPI 配置正確，并行消息傳遞可以正常進行；如提示輸入password或其他錯誤提示，需要重新配置。
安裝LSTC/LS-DYNA MPP 960，編輯新用戶根目錄下的 .bashrc 文件，設(shè)置計算和授權(quán)文件路徑，然后提取機器信息，將生成的lstc.log 文件發(fā)往軟件經(jīng)銷商處獲取授權(quán)即可。
4 某輕型客車正面碰撞的數(shù)值模擬
4.1 有限元計算模型
某輕型客車以初速度48km/h 與剛性墻正面碰撞，該車的有限元計算模型如圖2 所示，包含165708 個單元，106242 個結(jié)點，約60 萬自由度，前部吸能區(qū)定義自接觸，使用本研究室最先進的微機（PIV2.0G CPU/ 1.0G RAM）計算80ms 內(nèi)的響應，需要計算193600 個時間步長，數(shù)十小時才能完成。對該車進行耐撞性改進設(shè)計需要分析上百個可能的改進方案，計算量巨大，時間緊迫，因此，僅僅依靠單機在短時間內(nèi)完成這些計算是不可想象的。
圖2 某輕型客車的有限元計算分析模型
使用網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺進行計算，得到的并行計算結(jié)果如表1 和圖3 ~ 圖5 所示。
表1 不同結(jié)點機數(shù)下的并行計算結(jié)果
圖3 不同結(jié)點機數(shù)下的并行加速比 圖4 不同結(jié)點機數(shù)下的并行計算效率
圖5 不同結(jié)點機數(shù)下的并行加速比曲線 圖6 車架右B 柱下測點的加速度曲線
利用網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺，分析了100 多個可能的改進方案，最終得到耐撞性改進優(yōu)選方案。圖6為改進前后車架右B柱下測點的加速度對比曲線，從圖中可見，改進前該測點的加速度峰值很高（約92.1g），加速度脈寬很窄，改進后的模擬加速度峰值大大降低（約62.3g），脈寬有所增加，這表明該車改進后的耐撞性大大提高。改進后該測點模擬加速度曲線與實測曲線的波形變化基本吻合，峰值相差不大（實測峰值約58.7g），這表明本文的計算模型和計算結(jié)果是可靠的。
5 總結(jié)
(1) 針對大規(guī)模沖擊接觸問題的數(shù)值模擬極為耗時，立足普通實驗室的現(xiàn)有計算條件，組建了使用靈活、可擴展性強、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺，滿足了大規(guī)模沖擊接觸問題對存儲規(guī)模和計算速度的迫切要求，該系統(tǒng)可以在國內(nèi)的普通實驗室中推廣使用。
(2) 對某輕型客車的正面碰撞過程進行了數(shù)值計算，表明本文組建的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺具有很高的并行計算效率，通過大量數(shù)值模擬，提出汽車結(jié)構(gòu)耐撞性改進優(yōu)選方案，取得很好的改進效果。 #p#page_title#e#
(3) 應該指出的是，網(wǎng)絡(luò)集群并行計算是通用的計算技術(shù)，它不僅僅適用于提高大規(guī)模沖擊接觸問題的計算規(guī)模，還可以適用于其他的科學計算領(lǐng)域。它構(gòu)造簡單，使用靈活，只需要很少的投資就可以大大提高計算能力。因此，立足普通實驗室現(xiàn)有的計算條件，組建各具特色的網(wǎng)絡(luò)集群并行計算平臺具有非常重要的實際意義。
參考文獻
1 Schweizerhof K, Nilsson L and Hallquist JO. Crashworthiness analysis in the automotive industry. International Journal of Computer Applications in Technology, 1992, 5(2-4): 134~156
2 Bittencourt E, Creus GJ. Finite element analysis of three-dimensional contact and impact in large deformation problems. Computers and Structures, 1998, 69: 219~234
3 Lin FH, Tseng AA. A finite element analysis of elasto-plastic contact problems in metal forming. Materials and Design, 1998, 19: 99~108
4 Vasudevan S. Okada H and Atluri SN. Development of a new frame finite element for crash analysis using a mixed variational principle and rotations as independent variables, Finite Elements in Analysis and Design. 1996, 23: 155~171
5 Elsner B, Galbas HG, Gorg B, et al.. A parallel multi-level approach for contact problems in crashworthiness simulation, 3rd International Conference in Computational Structures Technology, Budapest, Hungary, 1996
6 Walker B. The crash analysis of a passenger vehicle under differing frontal crash conditions. SAE Paper 932910, 1993
7 Saha NK. Simulation of frontal barrier offset impacts and comparison of intrusions and decelerations. SAE Paper 950647, 1995
8 Schauer DA, Hoover CG, Kay GJ. Crashworthiness simulations with DYNA3D. Transportation Research Record, 1996, 1528: 124~129
9 Whirley RG and Engelmann BE. Automatic contact in DYNA3D for vehicle crashworthiness. Crashworthhiness and Occupant Protection in Transportation Systems, Proceedings of the 1993 ASME Winter Annual Meeting, ASME Applied Mechanics Division, 1993, 15~29
10 Vasudevan S. Okada H and Atluri SN. Development of a new frame finite element for crash analysis using a mixed variational principle and rotations as independent variables. Finite Elements in Analysis and Design. 1996, 23: 155~171
11 Zhong ZH. Finite Element Procedures for Contact-Impact Problems. Oxford University Press, Oxford, 1993
12 Wang SP, Nakamachi E. The inside-outside contact search algorithm for finite element analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1997; 40(19): 3665~3685
13 Hallquist JO. LS-DYNA Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation, Livermore California, 1998
14 Whirley RG, Engelmann BE. Automatic contact algorithm in DYNA3D for crashworthiness and impact problems. Nuclear Engineering and Design. 1994;150(2-3): 225~233(end)
