LS-DYNAR9.0之S-ALE

2016-09-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

LS-DYNA新近推出一個(gè)新的ALE求解器。新求解器專門針對(duì)Structured的ALE網(wǎng)格求解。它支持MPP, SMP和MPP HYRBID并行計(jì)算;具有速度快,占用內(nèi)存少,和求解穩(wěn)定的特點(diǎn)。

新的S-ALE求解器與舊有的ALE求解器采用相同的Operator Splitting思想,也就是說(shuō)把一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的求解過(guò)程分做一個(gè)Lagrange時(shí)間步和一個(gè)Advection時(shí)間步。Advection過(guò)程中的Flux計(jì)算和界面重構(gòu)算法也是一樣的。

那么既然如此,為什么LSTC要投入人力物力來(lái)開發(fā)一個(gè)算法基本一致的新求解器呢?原因是多方面的。
首先,ALE方法和求解器在各類工程問(wèn)題中的使用有了很大的變化。早期的ALE應(yīng)用集中在單材料方面,常常用來(lái)模擬固體。那時(shí)的網(wǎng)格大部分需要遵循物質(zhì)界面的幾何形狀,故而Mesh Smoothing也有著廣泛的使用。而到了今天,隨著技術(shù)的進(jìn)步和工程問(wèn)題自身的變化,ALE方法被集中使用在模擬多個(gè)流體在某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng);以及更重要的,模擬這些流體與固體結(jié)構(gòu)的相互作用。這些問(wèn)題往往使用非常規(guī)則的長(zhǎng)方體網(wǎng)格和六面體單元,除局部加密外,單元的尺寸大多一樣。
針對(duì)這兩點(diǎn)不同,程序本身可以做很多優(yōu)化。單材料/多材料方面,如果程序只針對(duì)一種情況處理,那么自然的,很多的判斷以及程序的分枝就不再需要了。程序變得非常簡(jiǎn)潔,執(zhí)行的效率也大為提高。內(nèi)存的使用也有所減少。網(wǎng)格方面,規(guī)則網(wǎng)格在Bucket Sorting和Searching算法上,首先效率可以極大提高,內(nèi)存可以極大減少;其次準(zhǔn)確度可以大大提高。例如在流固藕合時(shí)使用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID卡片時(shí),我們可以注意到,缺省的Bucket Sorting Frequency是50步做一次。如果在這50步中,流體網(wǎng)格變動(dòng)較快,則Searching很可能失敗,這會(huì)造成流固藕合失效。

其次,LS-DYNA舊有的ALE求解器實(shí)現(xiàn)時(shí)的程序算法現(xiàn)在看來(lái),有一些比較嚴(yán)重的缺陷。在初始編程過(guò)程中,對(duì)并行計(jì)算的友善性考慮不多。這樣一來(lái),在舊有ALE求解器上SMP并行無(wú)法實(shí)現(xiàn);MPP雖被成功實(shí)現(xiàn)而且被用戶所廣泛接受,但效率較低。

新的S-ALE求解器,在初始設(shè)計(jì)時(shí),就專門特別考慮并行計(jì)算的需要。所有算法和程序?qū)崿F(xiàn)都采用了對(duì)并行計(jì)算最優(yōu)的選擇。程序的流程也被重新設(shè)計(jì),以帶來(lái)效率的提高和內(nèi)存的減少。在SMP方面,不僅成功實(shí)現(xiàn)了ALE算法的SMP,而且取得了非常優(yōu)秀的加速比;最值得一提的是,成功實(shí)現(xiàn)結(jié)果的一致性(Consistency)。在MPP方面 ,由于重新設(shè)計(jì)了MPPCommunication的Pattern和新算法本身的效率提高,不僅與舊有的ALE求解器相比,運(yùn)行速度有極大的提高,自身的Scalability也非常優(yōu)秀。例如在一個(gè)5.5百萬(wàn)ALE單元的爆炸題目中,S-ALE保持了0.9的線性Scalability直到384個(gè)Core;與舊ALE求解器相比,運(yùn)行時(shí)間減少56%(48 core)到68%(384 core)。

另外,S-ALE在編程過(guò)程中力圖做到盡可能的簡(jiǎn)潔。這樣,計(jì)算過(guò)程效率提高,內(nèi)存使用大幅減少;更重要的是:簡(jiǎn)潔的程序內(nèi)所含BUG的幾率大大降低。而且,DEBUG過(guò)程也變得更為容易,另外也效率更高。舉例來(lái)說(shuō),新S-ALE求解器核心部分的程序僅有不到300行,而這部分程序通常占用整個(gè)求解過(guò)程的30%時(shí)間。整個(gè)S-ALE求解器程序約為2500行左右。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),他們將看到新S-ALE求解器會(huì)大為穩(wěn)定。這也是我們最主要的目的之一:更為愉悅的用戶體驗(yàn)。

S-ALE求解器的運(yùn)行

來(lái)定義網(wǎng)格間用戶只要使用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片生成規(guī)則網(wǎng)格,LS-DYNA就會(huì)自動(dòng)調(diào)用新SALE求解器。

換言之,S-ALE求解器使用與否取決于用戶是否使用*ALE_STRUCTURED_MESH產(chǎn)生ALE規(guī)則網(wǎng)格。請(qǐng)注意,即使ALE網(wǎng)格是規(guī)則的,只要這個(gè)規(guī)則網(wǎng)格不是由*ALE_STRUCTURED_MESH所產(chǎn)生的,程序也無(wú)法使用S-ALE求解器。新求解器本身使用比較簡(jiǎn)單,它只增加了兩個(gè)獨(dú)有的新關(guān)鍵字。它們是*ALE_STRUCTURED_MESH和*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS。除附于篇尾的少數(shù)例外以外,其它關(guān)鍵字的使用基本沿用已有的ALE設(shè)置。
請(qǐng)?zhí)貏e注意,這種規(guī)則網(wǎng)格里,單元間距不一定非要是均勻的,用戶可以根據(jù)需要,使用*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS來(lái)定義網(wǎng)格間距。