高性能計算仿真的案例
【公開課】如何用高性能計算加速CAE仿真性能
4月17日19：30【技術鄰直播】
Altair官方高級技術經理傾情分享
如何用高性能計算加速CAE仿真性能
眾所周知，CAE作為一門新興的學科已經逐漸的走下神壇，成為了各大企業中設計新產品過程中不可缺少的一環。目前在航空、航天、能源動力等工業領域，利用 CAE 進行反復設計、分析、優化也已成為標準的必經步驟和手段。不同的CAE 應用程序對硬件資源例如處理器、網絡和存儲的要求各不相同，如何用高性能計算加速CAE仿真性能，這就是本期老師要分享的內容。
課程大綱
Ⅰ
不同的CAE應用該如何配置高性能計算
Ⅱ
引入HPC及云平臺加速現有資產價值
Ⅲ
Altair PBS關鍵技術介紹
講師：王軼華
Altair企業解決方案部技術經理
十多年時間專注在HPC技術領域工作，數十個高性能計算項目經驗，負責國內多個航空航天，汽車，能源客戶的HPC基礎架構規劃及性能優化，目前主要負責中國區Altair PBS Works產品線的團隊建設、產品售前、合作伙伴支持等工作。
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展開 高性能計算(HPC)在CAE仿真中的重要價值（文末有福利）
其中一個典型的案例是德國燃煤電廠利用計算機仿真技術來優化工廠的設計運轉，使得排放量、發電效率、設備使用率和安全性等指標都得到了提高。
日本作為制造工業強國，對HPC的運用尤其重視。在2006年開始實施“下一代超級計算機計劃”，組織分散在日本各地的高性能計算資源建立“高性能計算基礎設施”(HPCI)，將其作為國家的關鍵技術和基礎設施。在此基礎上已牽頭資助超過40家工業企業使用高性能資源，極大推動了仿真模擬技術發展。
結語
高性能計算已成為計算科學的主流，面向工業和工程的復雜問題，建立數學模型并開發高效能的軟件是目前應用的瓶頸之一。超級計算中心的運行模式是一種資源聚集的比較好的模式，是多學科融和，交叉和合作的平臺。在工業產品自主創新方面，CAE軟件起了很重要的作用，高性能計算和CAE的結合是中國走向智能制造的必經之路。
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展開 6/23 Ansys高性能計算License與硬件配置建議
隨著對仿真速度要求的不斷提升，Ansys高性能計算（HPC）的應用也越來越多。采用HPC功能可以大大提到仿真速度，從而縮短產品研發流程，同時得以求解更加復雜更大規模的問題，幫助工程師們以更高的效率完成更多的復雜設計。 目前基于Ansys高性能計算的仿真方法已廣泛用于航空航天、電子、汽車、通信、醫療等多個領域，同時各行業對高性能計算的需求仍在不斷增長。基于以上對高性能仿真需求的行業現狀，Ansys中國聯手合作伙伴-惠普工作站共同舉辦在線研討會-《Ansys高性能計算License與硬件配置建議》。
本次研討會將簡要介紹Ansys軟件的高性能計算功能，硬件配置選型（CPU、內存、硬盤、顯卡等）的注意事項，介紹在HFSS和Maxwell等工具進行仿真時如何進行設置實現HPC的應用，以及惠普工作站如何與Ansys軟件結合實現高性能設計仿真的高效平臺。惠普工作站是Ansys多年的合作伙伴，在全球有諸多合作，通過軟硬件的結合，為汽車、航空航天、電子等諸多領域的用戶提供服務。本次將全面介紹惠普最新的高性能、專業圖形計算方案與技術，以及如何與Ansys軟件相結合，實現設計、模擬仿真高效平臺。
展開 高性能計算：仿真工業軟件底層技術剖析
網格疏密：通常采取將網格在高應力區局部加密的辦法，在計算數據變化梯度較大的部位，為了更好的反應數據變化規律，采用比較密集的網絡，而在計算數據變化梯度較小的部位，為了減小模型規模，則劃分相對稀疏的網絡。
網格數量：網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因素綜合考慮。
單元階次：單元階次主要分為線性、二次、三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元，選用高階單元可以提高計算精度，當模型形狀不規則、應力分布很復雜時可以選用高階單元。
高階單元優點在于：1.單元的曲線或者曲面邊界能更好的逼近模型的曲面和曲面邊界，2.高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數。但由于高階單元節點較多，計算規模也比普通單元大一些。
主流的有限元生成方法
目前主流的有限元網格生成方法包括映射法、基于柵格法、幾何分解法、拓撲分解法、節點連接法五種。目前，正在研究的網格生成方法主要是這幾種方法的混合使用及現代技術的綜合應用。
映射法：基本原理為先通過適當的映射函數將待剖分物理域映射到參數空間中形成規則參數域，對規則參數域進行網格剖分；再將參數域的網格反向映射回物理空間，從而得到物理域的有限元網格。映射法可以分為保角映射法、基于偏微分方程法和代數插值法三大類。
映射法的優點是：算法簡單、速度快、單元質量好、密度可控制。它既可生成結構化網格又可生成非結構化網格，既可生成四邊形單元網格又可生成六面體單元網格，可用于曲線網格生成，可與形狀優化算法集成，也可以和其他算法結合劃分網格等。
基于柵格法：用柵格覆蓋在目標區域，刪除完全落在目標區域之外的柵格并對物體邊界相交的柵格進行調整、裁減、再分解，最后對內部柵格和邊界柵格進行柵格級的網格剖分。
展開 
設計仿真 | MSC Nastran高性能求解計算（一）
MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析（FEA）軟件，是工程仿真的基礎。MSC Nastran已被結構分析專家使用和驗證了半個世紀，以其穩健性、準確性和能夠解決工程中的挑戰而聞名。
本期摘要內容
? 了解MSC Nastran如何利用高性能計算（HPC）策略提高您的仿真和分析性能。
? 探索適用于所有分析類型（包括靜力學、特征值、動力學和非線性）的可用求解器，以便您可以根據特定的仿真需求選擇最合適的求解器。
? 從其他MSC Nastran用戶和Hexagon專家的經驗中汲取見解，以實現最佳的并行性能，同時最大限度地降低讀取和寫入磁盤的成本。
? 將HPC專業知識與對MSC Nastran求解器的全面了解相結合，以顯著加快仿真速度、最大限度地降低成本并提高不同類型分析的效率。
01
求解器分類
MSC Nastran包含多種求解器。根據分析模型的特點來選擇最優的求解器。MSC Nastran 求解器可分為三大類：直接求解器、迭代求解器和特征值求解器。
例如，線性靜態分析計算位移和其他結果，其靜態仿真性能主要由兩步運算決定：求解矩陣方程和將請求的數據寫入到輸出文件中。為了求解矩陣方程，我們可以使用直接或迭代方法，其中輸入是剛度矩陣和載荷，輸出是位移。
直接求解器
直接求解器依賴于LDLT分解，該方法在結構分析中應用廣泛，這種方法對剛度矩陣的數值特性不敏感，因此適用性比較好，它們的運行過程包含兩步。首先，將對稱剛度矩陣分解為下三角陣；然后，執行前向消元和后向替換（FBS）來求解結果系統，這一步也稱為求解算法的FBS部分。
直接方法利用剛度矩陣中固有的稀疏性（圖1）。稀疏矩陣僅意味著有許多零項。
展開 設計仿真 | MSC Nastran高性能求解計算（二）
MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析（FEA）軟件，是工程仿真的基礎。MSC Nastran已經被結構分析專家使用和驗證了半個世紀，以其穩健性、準確性和能夠解決工程中的挑戰而聞名。
本期摘要內容
? 了解MSC Nastran如何利用高性能計算（HPC）策略提高您的仿真和分析性能。
? 探索適用于所有分析類型（包括靜力學、特征值、動力學和非線性）的可用求解器，以便您可以根據特定的仿真需求選擇最合適的求解器。
? 從其他MSC Nastran用戶和Hexagon專家的經驗中汲取見解，以實現最佳的并行性能，同時最大限度地降低讀取和寫入磁盤的成本。
? 將HPC專業知識與對MSC Nastran求解器的全面了解相結合，以顯著加快仿真速度、最大限度地降低成本并提高不同類型分析的效率。
點擊MSC Nastran高性能求解計算（一），查看首期內容，有關 MSC Nastran 中高性能計算選項的更多詳細信息，請參閱MSC Nastran 2024.1 HPC用戶指南。
01
并行設置
如今，幾乎每臺計算機中的中央處理器（CPU）在物理CPU芯片上都有多個內核。每個物理芯片都稱為一個插槽。根據體系結構的不同，計算機可能配備多個CPU芯片（每個芯片都有自己的插槽），并且每個CPU可能包含多個內核。如果編寫軟件是為了利用多個內核，那么軟件通過并行使用這些內核來提高解決給定問題的速度，稱為可擴展性。
可擴展性對于求解器來說至關重要，因為它確保了處理規模越來越大、越來越復雜問題的能力，在不影響性能或效率的情況下滿足不斷增長的需求。在MSC Nastran中，有兩種不同但互補的并行處理方式:
?共享內存并行（SMP）
?分布式內存并行（DMP）
兩者之間的區別在圖4中得到了最好的說明。
展開 設計仿真 | MSC Nastran高性能求解計算（二）
MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析（FEA）軟件，是工程仿真的基礎。MSC Nastran已經被結構分析專家使用和驗證了半個世紀，以其穩健性、準確性和能夠解決工程中的挑戰而聞名。
本期摘要內容
? 了解MSC Nastran如何利用高性能計算（HPC）策略提高您的仿真和分析性能。
? 探索適用于所有分析類型（包括靜力學、特征值、動力學和非線性）的可用求解器，以便您可以根據特定的仿真需求選擇最合適的求解器。
? 從其他MSC Nastran用戶和Hexagon專家的經驗中汲取見解，以實現最佳的并行性能，同時最大限度地降低讀取和寫入磁盤的成本。
? 將HPC專業知識與對MSC Nastran求解器的全面了解相結合，以顯著加快仿真速度、最大限度地降低成本并提高不同類型分析的效率。
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01
并行設置
如今，幾乎每臺計算機中的中央處理器（CPU）在物理CPU芯片上都有多個內核。每個物理芯片都稱為一個插槽。根據體系結構的不同，計算機可能配備多個CPU芯片（每個芯片都有自己的插槽），并且每個CPU可能包含多個內核。如果編寫軟件是為了利用多個內核，那么軟件通過并行使用這些內核來提高解決給定問題的速度，稱為可擴展性。
可擴展性對于求解器來說至關重要，因為它確保了處理規模越來越大、越來越復雜問題的能力，在不影響性能或效率的情況下滿足不斷增長的需求。
展開 Altair全球虛擬大會 I 仿真、高性能計算（HPC）和人工智能（AI）...
從電氣化和數據驅動的企業，到人工智能驅動的仿真和半導體，您將了解仿真、高性能計算（HPC）和人工智能（AI）的融合如何釋放技術投資的全部潛力。
無論您是想拓寬您對計算科學的了解，還是想深入研究仿真、人工智能、高性能計算或數據分析，都能在本次大會中獲得有價值的資訊。
云端高性能高性能計算服務
北京市計算中心擁有百萬億次高性能計算能力，長期對外提供Abaqus等多種CAE軟件的高性能計算服務。
采用web服務模式輕松搞定上億網格規模的CAE仿真。
用戶申請：http://www.bcc.ac.cn/cloud/fwsq.html
“神工坊”——高性能計算技術賦能，助力自主工程仿真跨越發展！
仿真的本質是物理建模與模擬計算，其底層主要的數學方法是控制方程數值離散和求解。基于國產超級計算機，“神工坊”團隊開發了一系列數值計算方法庫，以超大規模非結構代數求解庫UNAP（點擊了解詳情）為代表。
代數求解庫UNAP的組織架構
UNAP根據國產超算異構處理器異構特點，開發了計算/通信混合的迭代算法，根據異構眾核處理器浮點計算性能高而帶寬受限的特點，通過增加計算比例來降低全局集合通信代價的計算方法；集成了高可擴展矩陣預處理方法，結合異構眾核處理器多級并行的特點和稀疏矩陣迭代解法的需求，初步探索了各種預處理方法在眾核異構平臺上的并行實現技術。目前UNAP已經在神威·太湖之光上實現了對美國國家實驗室Hypre、PETSc等代數求解庫的國產替代。
這些自主可控的中間件構成了支撐工業高保真數值模擬的底層支撐，并可以自動實現高保真數值模擬工業應用在“神威·太湖之光”超級計算機上的適配。
該技術與傳統手動適配和并行優化技術相比，實現了并行優化和架構適配的自動化，大幅降低研發的難度，縮短研發周期，大大提高工業仿真應用的高性能改造研發的效率和質量，實現自主可控高性能仿真應用的快速開發和高效實現。
“神工坊”產品結構
“神工坊”仿真應用定制案例展示
1
ConRodSim
此應用是通過與汽車零部件企業合作，針對汽零常用部件開發定制化仿真APP，根據初始幾何外形、約束和目標參數，自動化實現零件的形狀優化，實現企業降本增效目標。
展開 Altair全球虛擬大會 I 仿真、高性能計算（HPC）和人工智能（AI）...
從電氣化和數據驅動的企業，到人工智能驅動的仿真和半導體，您將了解仿真、高性能計算（HPC）和人工智能（AI）的融合如何釋放技術投資的全部潛力。
無論您是想拓寬您對計算科學的了解，還是想深入研究仿真、人工智能、高性能計算或數據分析，都能在本次大會中獲得有價值的資訊。
“神工坊”高性能工業仿真平臺｜Fluent軟件并行效率測試
Fluent軟件并行效率測試
一、導言
Fluent軟件是ANSYS旗下一款通用CFD仿真軟件，市場占有率比較高，能夠進行流體、傳熱、化學反應等多種工程場景和模型的仿真分析。
二、 Fluent并行效率測試
1、模型介紹
本次測試共有兩個模型，一個是一個離心泵的空化仿真，是一個Mixture多相流問題，另一個是一個發動機內流仿真模型，兩個模型都來自于胡坤老師的公眾號，在原網格基礎上進行了加密。
表1 模型描述
2、并行測試方案介紹
本次并行測試基于國家超算無錫中心高性能仿真計算集群進行，計算隊列每個節點包含2路12核E5-2680V3處理器，主頻2.5GHz，每個節點128GB DDR4內存。
測試時分別使用了單核，24核（一個節點），48核，72核，96核及120核進行計算。
3、測試結果
并行測試結果如下所示：
4、測試結果對比
將case2的測試結果與Fluent官方及第三方超算測試情況進行對比，結果如下圖所示：
其中，Fluent官方測試案例是飛機機翼上方的外部氣流穩態流場仿真，網格規模1400萬；第三方超算測試案例是卡車車身外部穩態流場仿真，網格規模1400萬。
備注：因無法找到相同的仿真算例，故選擇了網格規模接近的算例進行對比，且各方測試并行規模也不完全一致，為方便對比，均轉換成按節點數進行對比（作者：周捍瓏）。
十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協同創新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。
展開 仿真結果可信嗎？V&V驗證與確認全鏈路技術解析及高性能計算配置指南
導讀： 豐田、通用用V&V技術替代了80%以上的真實碰撞試驗；NASA Ares-IX火箭憑借完整的仿真驗證流程，以過去型號1/3的資金完成發射。在CAE行業，一個殘酷的現實是：沒有經過驗證的仿真模型，沒有任何價值。本文系統拆解仿真驗證與確認（Verification & Validation）的核心算法、計算特征、工具鏈，并給出支撐V&V全流程的高性能工作站配置方案。
一、V&V：仿真可信度的唯一通行證
V&V包含兩個本質不同的過程：
Verification（驗證）：確保仿真"正確計算"——數學方程是否被正確求解？代碼有無Bug？網格夠不夠細？
Validation（確認）：確保仿真"計算正確的東西"——數值結果與真實物理世界是否一致？
打個比方：Verification 是檢查計算器本身會不會算錯加減乘除；Validation 則是驗證你按的公式是不是真正反映了物理現象。前者是數學問題，后者是物理問題。
在工程實踐中，V&V不是"附加項"，而是"基石"。CATPILLAR、GE等制造企業的仿真部門，用于V&V驗證的工作量約占總工作時間的 60%，而實際仿真求解僅占 20-30%。
二、V&V 涉及的核心計算與算法
1. 代碼驗證（Code Verification）
在把模型交給物理試驗之前，首先要證明軟件本身是對的。
展開 直播推薦：面向工程仿真的高性能云計算丨達索3DEXPERIENCE云平臺概述
一、面向工程仿真的高性能云計算
1.工程仿真的高性能計算機需求
2.仿真轉向云化和平臺化趨勢
3.仿真和計算架構。
4.本地與云高性能計算機成本比較。
5.達索系統SIMULIA云高性能計算機解決方案。
6.總結
二、達索3DEXPERIENCE云平臺概述
1.達索云平臺架構
2.達索云平臺部署策略
3.基于達索云平臺的設計
適用人群
機械工程師、有限元分析師、對工程仿真云計算感興趣的工程師或高校師生。
展開 “神工坊”高性能仿真平臺算力新資源上線！
繼去年12月，神工坊與鹽城超算合作（點擊回顧），新增AMD處理器后，近日又與某高性能計算廠商合作，新增國產Hygon處理器，為用戶仿真計算作業提供更多高性價比的資源選項。
在數字化突飛猛進的今天，算力不再局限于信息計算領域的專有服務，而是成為隨需隨取的基礎設施，并滲透到工業創新與生產制造的全過程
，也正因此，
加快算力向生產力的轉化
，
已勢在必行。
神工坊是中國高性能工業仿真引領者，秉持“仿真驅動創新，算力引領未來”的理念，致力于通過高性能計算助力我國工業仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。
目前神工坊已經形成以國家超級計算無錫中心高性能資源為主體，聚合
多種計算資源
的統一算力“資源池”，可以為用戶提供“神威·太湖之光”超級計算機、Intel、AMD、Hygon等豐富的計算資源，超千萬核的通用計算能力。
神工坊計算資源整合原理圖
神工坊算力“資源池”
借助已對接的算力“資源池”，神工坊不僅可以幫助用戶解決自建算力規模有限、難以擴展等問題，并且通過有效調用其算力資源，將大大提高用戶仿真的并行規模和效率，滿足各領域工業仿真計算需求。
未來，神工坊將繼續協調多方力量，聚合優質資源服務，擴展算力資源，堅持以用戶為中心，為工業仿真領域提供更為有效的高性能計算應用服務。
十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線。
展開 