主要內容
1.有限元分析概述
2.有限元分析模擬計算過程分析與計算特點
  2.1有限元前處理（建模、網格劃分）計算特點
  2.2有限元求解計算特點與硬件配置分析
     2.2.1動態結構（碰撞、爆炸、沖擊等）仿真計算特點
     2.2.2靜態結構（強度、振動、耐久、復合材料）仿真計算特點
     2.2.3流體力學仿真計算特點
     2.2.4多物理場耦合仿真計算特點
     2.2.5電磁仿真仿真計算特點
3.工程仿真計算工作站配置推薦
  3.1 工作站機型介紹
  3.2建模與求解專業硬件配置參考
  3.3 工作站建模、求解計算硬件配置推薦

（一）有限元分析介紹
有限元分析（FEA）借助高性能計算機工具，用“數值近似”和“離散化”方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，如求解結構、熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題
 



有限元法在工程設計和科研領域得到了廣泛的應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的應用普及，已使設計水平發生了質的飛躍。

主要仿真計算專業領域
瞬態結構仿真、靜態仿真計算、流體仿真計算(CFD） 、電磁仿真計算（EM）、多物理場仿真仿真、熱分析、聲波仿真計算等

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（二）有限元仿真計算特點分析



2.1 有限元分析各個環節計算過程分析

第一階段  前后處理器計算過程分析

 

有限元前處理器是從幾何模型形成物理模型的物理建模（幾何建模）、由物理模型形成數學模型（網格劃分）的數學建模兩個過程，

常見有限元分析前處理軟件：
ANSYS SpaceClaim，Meshing，ICEM CFD
Altair HyperMesh
MSC Patran
ANSA
Abaqus /CAE
Siemens Femap

一般來說，CAE分析工程師大部分時間都花費在了有限元模型的建立和修改上，真正的分析求解時間也消耗在了工作站或集群上，所以一個適合自己應用功能強大有限元前處理軟件和一部高性能建模工作站是非常必要的。

常見問題：
（1） 復雜、大型三維模型在讀取和編輯過程，模型卡頓
（2） 因精度過高，網格劃分處理時間過長

造成上述問題的原因主要在三個方面：
（1）    模型自身問題，精度太高，計算量過大，計算機無法承受
（2）    前處理軟件自身算法問題，網格劃分軟件的處理模式，計算不過來
（3）    工作站硬件配置不足或配置不合理，計算性能不夠

建模計算特點
硬件因素更關鍵，建模過程是人機交互模式下，對模型移動、縮放、刪減等操作，為了保證流暢，每秒生成24幀畫面，這樣模型移動流暢，圖形的幾何頂點數據的計算，都是由CPU計算承擔的，多核在這個過程不重要，主要靠單核，圖卡任務得到圖形的幾何頂點數據生成圖形，因此要讓復雜模型流暢，顯卡任務很輕松，只有提升CPU頻率解決

網格劃分計算特點
模型建立好后，要對三維模型的網格空間離散化過程，就是網格劃分，通常網格劃分密度越高，求解的結果越接近真實解，精度提高，網格劃分計算量隨之增大，常規工作站計算性能可能不夠，因此對于碰撞、沖擊、爆炸、波傳播仿真分析來說，在計算效率、內存容量、精確度這三個方面要有所權衡，在滿足求解精度的條件下，盡量使得計算量不要太大、存儲空間小，另外不同的網格劃分軟件算法差異，網格生成數據規模有所不同，網格劃分過程大部分軟件是單核計算模式，個別軟件是有限多核并行模式（如 Ansys Meshing），當然工作站硬件更重要，性能一定要最大化


第二階段 求解計算特點與硬件配置分析

 需要根據求解類型（運動學/動力學、靜平衡、特征值分析等）選擇相應的求解器進行數值運算和求解。求解問題歸類：

2.1結構力學（動態類）仿真求解計算分析
求解問題  對碰撞、爆炸、沖擊等仿真分析
主要軟件：ANSYS LS-DYNA，ANSYS AUTODYN, ABAQUS/Explicit ,MSC Dytran,Altair RADIOSS，
主要算法  有限元法為主（中心差分法），顯式計算模式，無需迭代
硬件特點：CPU多核并行度高，內存相對小，無硬盤io要求

2.2結構力學（靜態類）仿真求解計算分析
求解問題  對應力、強度、疲勞、耐久仿真分析
主要軟件：ABQAQUS /Standard, MSC MARC，Ansys Mechanicl，ADINA，MSC Fatigue
主要算法  有限元法為主（Newton-Raphson法），隱式計算模式，迭代密集
硬件配置特點：CPU多核并行度較高，內存相對大，硬盤io要求高

2.3流體力學仿真求解計算分析
求解問題  計算流體動力學仿真分析
主要軟件：ANSYS Fluent，ANSYS CFX,西門子 STAR CCM+
主要算法  有限體積法為主（顯式/隱式或混合模式計算模式）
硬件配置特點：CPU多核并行度高，部分支持GPU加速，內存相對小，無硬盤io要求

2.4多物理場耦合仿真計算分析
求解問題  結構、流體、熱等耦合仿真分析
主要軟件：Comsol Multiphysics ，ANSYS Multiphysics
主要算法  有限元法分析、有限體積法、邊界元法和粒子追蹤方法等（混合模式）
硬件配置特點：CPU多核并行度高，內存容量大，硬盤io一般，無GPU加速

2.5電磁仿真仿真計算特點與硬件配置分析
求解問題  電磁場及耦合仿真分析
主要算法  有限元法，時域與頻域全波求解（MoM、FDTD、FEM 和 MLFMM）等
主要軟件：ANSYS HFSS ，Maxwell，Feko，CST，
硬件配置特點：CPU多核并行度高，GPU加速顯著，內存容量相對大，硬盤io一般



3）后處理計算特點
后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出
圖形生成：基于OpenGL圖形接口
軟件：與前處理軟件一體，見不同CAE軟件商家


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(三) 有限元建模與求解計算工作站硬件配置

3.1 仿真計算硬件配置歸納

（1）有限元分析建模和求解、后處理

NO	計算環節	解釋	計算特點
1	前處理	幾何模型的建立	單核計算模式
		網格生成	單核或有限多核計算模式
2	求解	結構、流體等問題求解	多核計算模式
3	后處理	計算結果輸出，分析	單核計算模式

 

（2）工作站單核計算與幾何建模規模參考

NO	運行核數	CPU頻率 (單位:GHz)	單核浮點速度 (單位:億次/秒)	網格規模估算  （單位：萬）	備注
1	1	2.0	320	6000	單核模式
2	1	2.2	352	6600
3	1	2.4	384	7200
4	1	2.6	416	7800
5	1	2.8	448	8400
6	1	3.0	480	9000
7	1	3.2	512	9600
8	1	3.3	528	9900
9	1	3.5	560	10500
10	1	3.6	576	10800
11	1	3.8	608	11400
12	1	4.0	640	12000
13	1	4.3	688	12900
14	1	4.6	736	13800
15	1	4.8	768	14400
16	4	4.8	3072	23040	多核模式
17	6	4.4	4224	23760
18	8	4.3	5504	30960

（3）CAE仿真計算規模與硬件配置參考

NO	網格節點 規模 (單位：萬)	自由度 規模測算(單位：萬)	動態結構 /流體仿真類	靜態結構 /多物理場 耦合/電磁仿真類	工作站CPU最低核數測算	GPU 測算
占用內存容量測算 （單位：GB）
1	100	600	2	4	4	可算
2	200	1200	4	8	4	可算
3	400	2400	8	16	4	可算
4	800	4800	16	32	6	可算
5	1600	9600	32	64	8	困難
6	3200	19200	64	128	16	不可算
7	6400	38400	128	256	32	不可算
8	12800	76800	256	512	64	不可算

備注：（1）自由度是以六自由度網格粗算  （2）GPU以Nvidia雙精度計算卡為主

3.2 與有限元仿真計算相關工作站機型介紹

（1）用于前后處理機型

 

硬件配置特點：
CPU 4核*5.2GHz，6核5.0GHz，8核4.8GHz…
圖卡：超高端圖卡
系統盤：PCIE-SSD架構
是常規工作站所不具備的，

主要用途：滿足大型復雜三維建模和網格劃分

（2）用于中大規模仿真計算機型

硬件配置特點：
CPU 雙Xeon Scahlabe 處理器（最大56核，自動超頻加速）
內存  最大1TB
圖卡  雙GPU超算，
硬盤：PCIe-SSD+8個盤位并行讀寫（限EX620）
比同類架構工作站，配置更強大，速度更快

主要定位 : 顯式計算為主（H610），顯式隱式計算通吃（EX620）

（3）超大規模仿真計算機

硬件配置特點：
CPU 四顆Xeon E7v4（最大96核，自動超頻加速）
內存  最大2TB
圖卡  雙GPU超算，
硬盤：PCIe-SSD+16個盤位并行讀寫
目前市場上所有圖形工作站產品中，擁有最強大計算架構的計算機

主要用途
主要定位 :所有應用類的超大規模的CAE工程仿真計算，顯式、隱式算法通吃

3.3 有限元分析仿真工作站硬件配置推薦

ANSYS有限元分析多核并行計算碰到很多問題：

情況1  機器核數不斷增加，但求解速度不理想 

情況2  機器越貴性能并不高

情況3  機器核數增加，求解時間反倒下降

......

問題分析：

首先  不同算法有不同的計算特點，另外整個求解過程，數據預處理與并行求解交叉推進，CPU很多計算過程不是全部100%的運行，

其次， 傳統工作站通常是  （1）核數少頻率高、 （2）核多頻率低、 （3）核數嚴重不足、（4）核數太多，（5）僅有CPU計算架構，沒有GPU超算配置，

上述機器和算法計算要求，嚴重不匹配，這樣性能上不去，求解效率很低，怎么辦，是否有那種理想的配置架構？

本文給出高頻+多核的理想架構，完美解決上述問題

(1) 基于結構仿真計算（隱式算法）工作站配置方案

隱式算法計算特點：

對CPU核數線性加速比有限，內存容量和硬盤io 要求高

完美理想的硬件配置原則：

（1）高速計算架構：CPU具備高頻（自動網格劃分）+多核（并行求解），

（2）內存：CPU核數：內存容量 1:8， （3）高IO讀寫

推薦配置：（此處省略配置表格）

(2) 基于流體仿真計算（顯式算法）工作站配置方案

顯式算法計算特征：

CPU核數線性加速理想，核數越多越好，對內存容量、硬盤io要求不高，整個計算過程是同時單核與多核交替進行

完美理想的硬件配置原則：

（1）高速計算架構：CPU具備高頻（自動網格劃分）+多核（并行求解），

（2）內存：CPU核數：內存容量 1:4，

推薦配置：（此處省略配置表格）

（3）基于電磁仿真、多物理場耦合工作站配置方案

該類型求解計算特征：

CPU核數線性加速理想，核數越多越好，對內存容量要求高，整個計算過程是同時單核與多核交替進行

完美理想的硬件配置原則：

（1）高速計算架構：CPU具備高頻（自動網格劃分）+多核（并行求解）

（2）內存：CPU核數：內存容量 1:8，

推薦配置：（此處省略配置表格）

以上為公司技術專家多次測試后作出的技術總結，不完整和紕漏之處也請技術鄰的專家指正。