| 标题 | 浅析核电设计领域中CAE仿真技术的应用 |
| 范文 | 张婷婷 【摘要】 本文基于对CAE仿真分析方法与流程、CAE软件结构与特性的相关研究，以及CAE软件运行平台的引入，阐述了在核电设计领域中高效运用CAE仿真技术、统一管理仿真分析过程中的软硬件资源的有效的解决方案。 【关键词】 CAE仿真技术 高性能计算 集群技术 一、引言 自1946年第一台计算机问世至今，计算机技术历经几十年的飞速发展，早已与人类的生产生活密不可分。这其中，作为跨学科的CAE（Computer Aided Engineering） 数值模拟分析技术也得到了巨大发展，越来越多的工程领域运用CAE仿真技术对工程设计和应用问题进行仿真分析和计算，通过CAE仿真技术的使用可以帮助设计团队验证和优化设计思路、减少设计时间、节约设计成本，从而提升企业的竞争力。CAE仿真技术在核电设计领域，如核电厂抗震力学分析、核反应堆堆芯热工水力分析、核电厂抗商用飞机撞击能力分析等设计分析任务中也有着广泛的应用。 二、CAE仿真分析方法与流程 CAE仿真技术是结合了计算机图形、数据处理及管理、建模等技术的一种设计和分析的综合技术，其特点是基于对象[1]，CAE仿真技术采用各类数值计算方法对二维、三维几何体进行分析及计算。 在工程设计领域中通常需要在某个既定的范围中，依据物理定律，联立出能够揭示物理量的变化所满足的规律的微分方程，同时列出相应的边界和边界条件，而求解微分方程以确定物理量的变化规律则是工程仿真分析的目标。有限元法、有限差分法、有限体积法、边界元法、无网格法等都被视为通用的仿真分析方法，而有限元法则是这些分析方法中最重要也是被使用的最为广泛的一种[2]。有限元法主要是对结构进行有限元离散化，通过用有限个易于分析的单元将复杂的结构表示出来，同时各个单元之间的连接由有限元节点来实现，通过联立方程组求解得到近似的数值解。 使用有限元法进行仿真分析问题的求解时，一般流程分为以下三个阶段：前处理过程、有限元分析及后处理过程[3]。 前处理过程是指对仿真分析对象进行有限元网格剖分与处理，得到相关的节点参数和有限元分析载荷数据等，从而形成有限元分析模型；有限元分析过程包含了分析有限元模型、联立与求解有限元方程、获取有限元结果等；后处理过程是指根据仿真分析问题的实际要求对有限元分析的结果进行处理和加工，以图形形式将其提交给用户，用户从而能够直观地了解和分析求解结果并判断及验证设计的合理性。 三、CAE软件结构与特性 目前市场上较为通用的CAE仿真软件，大多具有相似的软件结构，以采用有限元法的仿真软件为例，它所包含的软件模块有：前处理模块、有限元分析模块、后处理模块、用户界面模块以及数据库与数据管理系统。其中，前处理模块用于进行三维实体或参数化建模、有限元网格的划分和处理、为有限元节点自动编号并生成参数，最终得到有限元分析数据文件并支持导出。有限元分析模块由各类有限元分析子系统（如静态分析、动态分析、热分析、震动分析、电磁分析等子系统）、有限单元库、材料库和解法库所构成。有限单元库所含单元类型的种类与材料库所含材料特性的数量决定了软件仿真分析能力的强弱；解法库所含求解算法的多少则决定了软件的计算效率和精度的高低。后处理模块用于有限元分析结果的加工和检查，如数据的平滑处理、检验、优化等。用户界面模块主要用于交互式图形界面的实现，以及仿真分析数据的导入和导出等。仿真软件的数据库中包含有标准构建库、标准规范库、结构图形库、特性库等。仿真软件的数据管理系统通常会根据软件特性选用面向对象型或是关系型数据库管理系统。 在核电设计领域中较为常用的CAE仿真软件可分为以下三类：显式有限元分析软件（EFEA）、隐式有限元分析软件（IFEA）、计算流体动力学软件（CFD）。显式有限元分析软件的代表有LS-DYNA、RADIOSS、PAM-CRASH等，显式有限元分析大多是基于动力学方程，主要解决高度非线性问题，如碰撞、接触、爆炸等。隐式有限元分析软件的代表有ANSYS、ABAQUS、MSC NASTRAN等，隐式有限元分析大多是对每一个变化的物理量联立方程迭代求解，主要用于解决电场、磁场、结构力学、固体力学等的仿真分析问题。计算流体动力学软件的代表有STAR-CD、POWERFLOW、FLUENT等，计算流体动力学方法通常用于解决气动声学、空气动力学等的仿真分析问题。 上述三类CAE仿真软件大多都能够进行并行计算，所用的并行方式却有不同。隐式有限元分析软件通常采用共享内存并行技术，如OpenMP或Pthreads；而显式有限元分析软件和计算流体动力学软件一般采用分布式内存并行技术，如MPI。基于CAE仿真软件所用的分析方法和并行技术的不同，它们的扩展性以及对于仿真分析过程中所需的计算资源的要求也有较大差异[4]。隐式有限元分析软件的特点是无法跨节点并行计算、对内存及I/O要求较高、可扩展性较差，当CPU核数一般超过16核时，其应用性能将不再提升，适应于单机多核的运行环境；显式有限元分析软件和计算流体动力学软件的特点是可扩展性较好、支持跨节点并行计算、对内存要求不高，适应于多主机集群的运行环境。 四、CAE软件运行平台 CAE仿真软件对于应用性能和计算资源都有着严苛的要求，故引入高性能计算和集群技术以满足在核电设计领域中不断增长的仿真分析应用需求。 高性能计算（High Performance Computing）技术是指利用大量计算机资源对大规模科学问题进行的求解和计算。集群（Cluster）技术是高效的并行处理系统，它将个人计算机、工作站或服务器等独立的节点通过网络连接，使其协同工作，对外部用户提供单一、集成的计算资源并供之使用。因而高性能计算集群（High Performance Computing Cluster）能够对外提供强大的数据处理和计算能力，解决无法由单台服务器完成的大规模的计算求解任务。 高性能计算集群的硬件构成一般包含五类节点（管理节点、控制节点、计算节点、用户节点和存储节点）和交换网络 ，高性能计算集群的软件构成一般包含操作系统、并行开发环境和开发库、并行编译环境和编译器、集群作业调度系统等。 CAE仿真软件运行在高性能计算集群中，通过集群内的管理及调度来完成计算资源的分配和仿真分析任务的执行，这将大幅缩短仿真分析计算所需的时间，大幅提高CAE仿真软件的运行性能和效率。还能够完成核电设计领域中多物理场的耦合仿真、多体耦合仿真等综合性仿真分析任务，提升企业进行综合仿真分析的能力。 五、结论 将CAE仿真软件集成到高性能计算平台中运行和使用，是实现核电设计企业对仿真分析过程中软硬件资源的高效应用和管控的理想解决方案，能够有效的提升企业仿真分析的工作效率，从而提升企业的核心竞争力。 参 考 文 献 [1] 廉双红. 系统CAE的体系结构及应用技术研究[D]. 武汉：武汉科技大学，2009. [2] 鲁建霞，苟惠芳. 有限元法的基本思想与发展过程[J]. 机械管理开发，2009，24（2）：74-75. [3] 崔俊芝. 计算机辅助工程_CAE_的现在和未来[J]. 计算机辅助设计与制造，2000，06：3-7. [4] 魏雅江. CAE软件运行平台浅析[J]. 计算机光盘软件与应用， 2015，02：41-42. |
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