集群網(wǎng)絡(luò)中汽車(chē)碰撞的并行計(jì)算
時(shí)間：2008-12-09 14:49:00
來(lái)源：UltraLAB圖形工作站方案網(wǎng)站
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作者：admin
摘要：汽車(chē)碰撞是一種包含幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題。這類(lèi)復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值模擬極為耗時(shí)，在沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的條件下，很難獲得滿(mǎn)意的計(jì)算精度和計(jì)算效率。在普通實(shí)驗(yàn)室條件下，本文采用Linux系統(tǒng)和MPI 并行平臺(tái)，通過(guò)百兆以太網(wǎng)組建了使用靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算系統(tǒng)，滿(mǎn)足了汽車(chē)碰撞數(shù)值模擬對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模和計(jì)算速度的迫切要求。某輕型客車(chē)的數(shù)值算例表明，該系統(tǒng)具有很高的并行計(jì)算效率，對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性研究提供了非常先進(jìn)的計(jì)算環(huán)境。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)集群系統(tǒng) 并行計(jì)算 汽車(chē)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(wèn)題是一個(gè)涉及幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題[1~2]，它存在于許多工程領(lǐng)域，如汽車(chē)碰撞和金屬成形等，對(duì)該問(wèn)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(wèn)題的分析中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3~4]。并行計(jì)算是提高計(jì)算能力、求解復(fù)雜問(wèn)題的有效手段。利用并行計(jì)算，可以充分發(fā)揮有限元法的優(yōu)勢(shì)，解決在串行方式下因規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)而難以很好解決的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題。
汽車(chē)碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題，汽車(chē)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(wèn)題的研究水平。為了能夠模擬汽車(chē)結(jié)構(gòu)局部的變形與接觸，一輛整車(chē)模型至少需要包含6~10 萬(wàn)個(gè)單元，30 ~ 50 萬(wàn)個(gè)自由度[1,5]，參考汽車(chē)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方案，以評(píng)價(jià)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的耐撞性能[6-7]。對(duì)于大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)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(xiàn)性動(dòng)態(tài)有限元分析軟件。其中，DYNA3D 已經(jīng)發(fā)展成為汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性分析的標(biāo)準(zhǔn)化軟件[8]，對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估，具有非常重要的參考意義。
從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，要計(jì)算一輛包含有10 萬(wàn)個(gè)單元整車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在微機(jī)上尚很難進(jìn)行，大多是在CRAY、IBM SP2 等超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算[9]，一個(gè)碰撞方案一般需要計(jì)算數(shù)十小時(shí)。例如，當(dāng)年計(jì)算一輛由20000 個(gè)殼單元和140 個(gè)梁?jiǎn)卧M成的Benz 轎車(chē)在100ms 內(nèi)的響應(yīng)情況，在CRAY Y-MP 4/216超級(jí)計(jì)算機(jī)上需要15 個(gè)CPU 小時(shí)[1]。 #p#page_title#e#
基于對(duì)上述情況的了解，首先對(duì)大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的求解過(guò)程進(jìn)行了描述，從而闡明求解此類(lèi)問(wèn)題采用并行計(jì)算技術(shù)是非常必要的。然后，立足研究室現(xiàn)有的計(jì)算條件，提出并組建了8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算系統(tǒng)，滿(mǎn)足了大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模和計(jì)算速度的迫切要求。該并行計(jì)算系統(tǒng)在某輕型客車(chē)耐撞性的改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)算效率。
2 汽車(chē)碰撞的顯示積分求解格式
汽車(chē)碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題。汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性的分析模型除了要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)平衡方程、應(yīng)變位移關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及相應(yīng)的初始條件和邊界條件外，還要滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)接觸約束條件。把動(dòng)態(tài)接觸約束條件引入虛位移原理，可得到t 時(shí)刻的平衡方程[10]
在方程（1）的右端，第四項(xiàng)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(dú)立的變量，那么該泛函可以分解為兩項(xiàng)，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(shí)無(wú)需形成剛度矩陣，基本上可以在單元一級(jí)進(jìn)行求解，可以避免剛度矩陣的求逆，計(jì)算上的好處是顯而易見(jiàn)的。另外，中心差分法是條件穩(wěn)定算法，穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動(dòng)限制時(shí)間步長(zhǎng)的大小，從而保證了積分的精度。
為了能夠計(jì)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(yīng)的接觸搜索算法和接觸力算法。大規(guī)模動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題的接觸搜索過(guò)程可以分為兩個(gè)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(diǎn)和單元，即找出潛在的接觸塊。局部搜索就是要針對(duì)已經(jīng)找到的潛在接觸塊，精確定位結(jié)點(diǎn)與單元之間的接觸狀態(tài)、接觸位置及貫入量[12]。在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，利用有效的接觸搜索和接觸力算法判斷結(jié)點(diǎn)和單元的接觸狀態(tài)，最終得到計(jì)算結(jié)果。
3 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)的組建和調(diào)試
對(duì)于一輛整車(chē)的碰撞模擬，一般要包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)單元，采用中心差分法利用顯示積分格式進(jìn)行計(jì)算，通常要計(jì)算數(shù)十萬(wàn)個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，因此，借助并行計(jì)算平臺(tái)是非常必要的。Belytscko 專(zhuān)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(jì)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(jì)算平臺(tái)。
計(jì)算機(jī)設(shè)備：8 臺(tái)相同的高性能微機(jī)（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(jī)（switch）
操作系統(tǒng)：使用RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)，它是源代碼公開(kāi)的多用戶(hù)操作系統(tǒng)，可免費(fèi)獲得。
并行平臺(tái)：采用最新版的并行平臺(tái)MPI（lamMPI6.5.6-tcp）
計(jì)算模塊：采用功能強(qiáng)大的LS-Dyna3Dmpp960 并行計(jì)算軟件
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3.2 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算環(huán)境的組建和調(diào)試
(1) 如圖1 所示，把參與并行計(jì)算的8 臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)接入并行計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在每一臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上安裝最新版的RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)。
(2) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以root 登錄，配置/etc/hosts 文件，并在每一臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上測(cè)試ping 其他結(jié)點(diǎn)機(jī)，確保各個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)之間通訊正常。
(3) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以root 登錄，安裝lam/MPI 并行消息傳遞平臺(tái)lam-6.5.6-tcp，并添加用戶(hù)賬號(hào)。
(4) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以新賬戶(hù)登錄，在新賬戶(hù)的根目錄下，編輯 .rhosts 文件，把所有結(jié)點(diǎn)機(jī)的hostname 寫(xiě)入。
(5) 測(cè)試運(yùn)行環(huán)境：在所有結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以新賬戶(hù)登錄，執(zhí)行命令rsh mpi** echo hello，如果全部返回hello, 則表明運(yùn)行環(huán)境配置正確；如提示輸入password，請(qǐng)檢查每臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)置是否正確。在新用戶(hù)根目錄，編輯文本文件hosts.list，寫(xiě)入所有結(jié)點(diǎn)機(jī)的主機(jī)名（如果一臺(tái)機(jī)器有兩個(gè)CPU， 則重復(fù)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(shuō)明每臺(tái)機(jī)器的并行環(huán)境lam/MPI 配置正確，并行消息傳遞可以正常進(jìn)行；如提示輸入password或其他錯(cuò)誤提示，需要重新配置。
安裝LSTC/LS-DYNA MPP 960，編輯新用戶(hù)根目錄下的 .bashrc 文件，設(shè)置計(jì)算和授權(quán)文件路徑，然后提取機(jī)器信息，將生成的lstc.log 文件發(fā)往軟件經(jīng)銷(xiāo)商處獲取授權(quán)即可。
4 某輕型客車(chē)正面碰撞的數(shù)值模擬
4.1 有限元計(jì)算模型
某輕型客車(chē)以初速度48km/h 與剛性墻正面碰撞，該車(chē)的有限元計(jì)算模型如圖2 所示，包含165708 個(gè)單元，106242 個(gè)結(jié)點(diǎn)，約60 萬(wàn)自由度，前部吸能區(qū)定義自接觸，使用本研究室最先進(jìn)的微機(jī)（PIV2.0G CPU/ 1.0G RAM）計(jì)算80ms 內(nèi)的響應(yīng)，需要計(jì)算193600 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，數(shù)十小時(shí)才能完成。對(duì)該車(chē)進(jìn)行耐撞性改進(jìn)設(shè)計(jì)需要分析上百個(gè)可能的改進(jìn)方案，計(jì)算量巨大，時(shí)間緊迫，因此，僅僅依靠單機(jī)在短時(shí)間內(nèi)完成這些計(jì)算是不可想象的。
使用網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，得到的并行計(jì)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(jì)算平臺(tái)，分析了100 多個(gè)可能的改進(jìn)方案，最終得到耐撞性改進(jìn)優(yōu)選方案。圖6為改進(jìn)前后車(chē)架右B柱下測(cè)點(diǎn)的加速度對(duì)比曲線(xiàn)，從圖中可見(jiàn)，改進(jìn)前該測(cè)點(diǎn)的加速度峰值很高（約92.1g），加速度脈寬很窄，改進(jìn)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(chē)改進(jìn)后的耐撞性大大提高。改進(jìn)后該測(cè)點(diǎn)模擬加速度曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的波形變化基本吻合，峰值相差不大（實(shí)測(cè)峰值約58.7g），這表明本文的計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果是可靠的。
5 總結(jié)
(1) 針對(duì)大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的數(shù)值模擬極為耗時(shí)，立足普通實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有計(jì)算條件，組建了使用靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)，滿(mǎn)足了大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模和計(jì)算速度的迫切要求，該系統(tǒng)可以在國(guó)內(nèi)的普通實(shí)驗(yàn)室中推廣使用。
(2) 對(duì)某輕型客車(chē)的正面碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，表明本文組建的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)具有很高的并行計(jì)算效率，通過(guò)大量數(shù)值模擬，提出汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)優(yōu)選方案，取得很好的改進(jìn)效果。 #p#page_title#e#
(3) 應(yīng)該指出的是，網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算是通用的計(jì)算技術(shù)，它不僅僅適用于提高大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的計(jì)算規(guī)模，還可以適用于其他的科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用靈活，只需要很少的投資就可以大大提高計(jì)算能力。因此，立足普通實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算條件，組建各具特色的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)具有非常重要的實(shí)際意義。
參考文獻(xiàn)
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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(jì)算 汽車(chē)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(wèn)題是一個(gè)涉及幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題[1~2]，它存在于許多工程領(lǐng)域，如汽車(chē)碰撞和金屬成形等，對(duì)該問(wèn)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(wèn)題的分析中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3~4]。并行計(jì)算是提高計(jì)算能力、求解復(fù)雜問(wèn)題的有效手段。利用并行計(jì)算，可以充分發(fā)揮有限元法的優(yōu)勢(shì)，解決在串行方式下因規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)而難以很好解決的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題。
汽車(chē)碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題，汽車(chē)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(wèn)題的研究水平。為了能夠模擬汽車(chē)結(jié)構(gòu)局部的變形與接觸，一輛整車(chē)模型至少需要包含6~10 萬(wàn)個(gè)單元，30 ~ 50 萬(wàn)個(gè)自由度[1,5]，參考汽車(chē)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方案，以評(píng)價(jià)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的耐撞性能[6-7]。對(duì)于大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)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(xiàn)性動(dòng)態(tài)有限元分析軟件。其中，DYNA3D 已經(jīng)發(fā)展成為汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性分析的標(biāo)準(zhǔn)化軟件[8]，對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估，具有非常重要的參考意義。
從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，要計(jì)算一輛包含有10 萬(wàn)個(gè)單元整車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在微機(jī)上尚很難進(jìn)行，大多是在CRAY、IBM SP2 等超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算[9]，一個(gè)碰撞方案一般需要計(jì)算數(shù)十小時(shí)。例如，當(dāng)年計(jì)算一輛由20000 個(gè)殼單元和140 個(gè)梁?jiǎn)卧M成的Benz 轎車(chē)在100ms 內(nèi)的響應(yīng)情況，在CRAY Y-MP 4/216超級(jí)計(jì)算機(jī)上需要15 個(gè)CPU 小時(shí)[1]。 #p#page_title#e#
基于對(duì)上述情況的了解，首先對(duì)大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的求解過(guò)程進(jìn)行了描述，從而闡明求解此類(lèi)問(wèn)題采用并行計(jì)算技術(shù)是非常必要的。然后，立足研究室現(xiàn)有的計(jì)算條件，提出并組建了8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算系統(tǒng)，滿(mǎn)足了大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模和計(jì)算速度的迫切要求。該并行計(jì)算系統(tǒng)在某輕型客車(chē)耐撞性的改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)算效率。
2 汽車(chē)碰撞的顯示積分求解格式
汽車(chē)碰撞是一種非常典型的大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題。汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性的分析模型除了要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)平衡方程、應(yīng)變位移關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及相應(yīng)的初始條件和邊界條件外，還要滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)接觸約束條件。把動(dòng)態(tài)接觸約束條件引入虛位移原理，可得到t 時(shí)刻的平衡方程[10]
在方程（1）的右端，第四項(xiàng)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(dú)立的變量，那么該泛函可以分解為兩項(xiàng)，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(shí)無(wú)需形成剛度矩陣，基本上可以在單元一級(jí)進(jìn)行求解，可以避免剛度矩陣的求逆，計(jì)算上的好處是顯而易見(jiàn)的。另外，中心差分法是條件穩(wěn)定算法，穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動(dòng)限制時(shí)間步長(zhǎng)的大小，從而保證了積分的精度。
為了能夠計(jì)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(yīng)的接觸搜索算法和接觸力算法。大規(guī)模動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題的接觸搜索過(guò)程可以分為兩個(gè)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(diǎn)和單元，即找出潛在的接觸塊。局部搜索就是要針對(duì)已經(jīng)找到的潛在接觸塊，精確定位結(jié)點(diǎn)與單元之間的接觸狀態(tài)、接觸位置及貫入量[12]。在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，利用有效的接觸搜索和接觸力算法判斷結(jié)點(diǎn)和單元的接觸狀態(tài)，最終得到計(jì)算結(jié)果。
3 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)的組建和調(diào)試
對(duì)于一輛整車(chē)的碰撞模擬，一般要包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)單元，采用中心差分法利用顯示積分格式進(jìn)行計(jì)算，通常要計(jì)算數(shù)十萬(wàn)個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，因此，借助并行計(jì)算平臺(tái)是非常必要的。Belytscko 專(zhuān)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(jì)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(jì)算平臺(tái)。
圖1 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)示意圖
計(jì)算機(jī)設(shè)備：8 臺(tái)相同的高性能微機(jī)（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(jī)（switch）
操作系統(tǒng)：使用RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)，它是源代碼公開(kāi)的多用戶(hù)操作系統(tǒng)，可免費(fèi)獲得。
并行平臺(tái)：采用最新版的并行平臺(tái)MPI（lamMPI6.5.6-tcp）
計(jì)算模塊：采用功能強(qiáng)大的LS-Dyna3Dmpp960 并行計(jì)算軟件
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3.2 8CPU 網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算環(huán)境的組建和調(diào)試
(1) 如圖1 所示，把參與并行計(jì)算的8 臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)接入并行計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在每一臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上安裝最新版的RedHat Linux7.3 操作系統(tǒng)。
(2) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以root 登錄，配置/etc/hosts 文件，并在每一臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上測(cè)試ping 其他結(jié)點(diǎn)機(jī)，確保各個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)之間通訊正常。
(3) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以root 登錄，安裝lam/MPI 并行消息傳遞平臺(tái)lam-6.5.6-tcp，并添加用戶(hù)賬號(hào)。
(4) 在所有參與計(jì)算的結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以新賬戶(hù)登錄，在新賬戶(hù)的根目錄下，編輯 .rhosts 文件，把所有結(jié)點(diǎn)機(jī)的hostname 寫(xiě)入。
(5) 測(cè)試運(yùn)行環(huán)境：在所有結(jié)點(diǎn)機(jī)上，以新賬戶(hù)登錄，執(zhí)行命令rsh mpi** echo hello，如果全部返回hello, 則表明運(yùn)行環(huán)境配置正確；如提示輸入password，請(qǐng)檢查每臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)置是否正確。在新用戶(hù)根目錄，編輯文本文件hosts.list，寫(xiě)入所有結(jié)點(diǎn)機(jī)的主機(jī)名（如果一臺(tái)機(jī)器有兩個(gè)CPU， 則重復(fù)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(shuō)明每臺(tái)機(jī)器的并行環(huán)境lam/MPI 配置正確，并行消息傳遞可以正常進(jìn)行；如提示輸入password或其他錯(cuò)誤提示，需要重新配置。
安裝LSTC/LS-DYNA MPP 960，編輯新用戶(hù)根目錄下的 .bashrc 文件，設(shè)置計(jì)算和授權(quán)文件路徑，然后提取機(jī)器信息，將生成的lstc.log 文件發(fā)往軟件經(jīng)銷(xiāo)商處獲取授權(quán)即可。
4 某輕型客車(chē)正面碰撞的數(shù)值模擬
4.1 有限元計(jì)算模型
某輕型客車(chē)以初速度48km/h 與剛性墻正面碰撞，該車(chē)的有限元計(jì)算模型如圖2 所示，包含165708 個(gè)單元，106242 個(gè)結(jié)點(diǎn)，約60 萬(wàn)自由度，前部吸能區(qū)定義自接觸，使用本研究室最先進(jìn)的微機(jī)（PIV2.0G CPU/ 1.0G RAM）計(jì)算80ms 內(nèi)的響應(yīng)，需要計(jì)算193600 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，數(shù)十小時(shí)才能完成。對(duì)該車(chē)進(jìn)行耐撞性改進(jìn)設(shè)計(jì)需要分析上百個(gè)可能的改進(jìn)方案，計(jì)算量巨大，時(shí)間緊迫，因此，僅僅依靠單機(jī)在短時(shí)間內(nèi)完成這些計(jì)算是不可想象的。
圖2 某輕型客車(chē)的有限元計(jì)算分析模型
使用網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，得到的并行計(jì)算結(jié)果如表1 和圖3 ~ 圖5 所示。
表1 不同結(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)下的并行計(jì)算結(jié)果
圖3 不同結(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)下的并行加速比 圖4 不同結(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)下的并行計(jì)算效率
圖5 不同結(jié)點(diǎn)機(jī)數(shù)下的并行加速比曲線(xiàn) 圖6 車(chē)架右B 柱下測(cè)點(diǎn)的加速度曲線(xiàn)
利用網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)，分析了100 多個(gè)可能的改進(jìn)方案，最終得到耐撞性改進(jìn)優(yōu)選方案。圖6為改進(jìn)前后車(chē)架右B柱下測(cè)點(diǎn)的加速度對(duì)比曲線(xiàn)，從圖中可見(jiàn)，改進(jìn)前該測(cè)點(diǎn)的加速度峰值很高（約92.1g），加速度脈寬很窄，改進(jìn)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(chē)改進(jìn)后的耐撞性大大提高。改進(jìn)后該測(cè)點(diǎn)模擬加速度曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的波形變化基本吻合，峰值相差不大（實(shí)測(cè)峰值約58.7g），這表明本文的計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果是可靠的。
5 總結(jié)
(1) 針對(duì)大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的數(shù)值模擬極為耗時(shí)，立足普通實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有計(jì)算條件，組建了使用靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)，滿(mǎn)足了大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模和計(jì)算速度的迫切要求，該系統(tǒng)可以在國(guó)內(nèi)的普通實(shí)驗(yàn)室中推廣使用。
(2) 對(duì)某輕型客車(chē)的正面碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，表明本文組建的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)具有很高的并行計(jì)算效率，通過(guò)大量數(shù)值模擬，提出汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)優(yōu)選方案，取得很好的改進(jìn)效果。 #p#page_title#e#
(3) 應(yīng)該指出的是，網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算是通用的計(jì)算技術(shù)，它不僅僅適用于提高大規(guī)模沖擊接觸問(wèn)題的計(jì)算規(guī)模，還可以適用于其他的科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用靈活，只需要很少的投資就可以大大提高計(jì)算能力。因此，立足普通實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算條件，組建各具特色的網(wǎng)絡(luò)集群并行計(jì)算平臺(tái)具有非常重要的實(shí)際意義。
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