md nastran成功解决了超过4亿自由度的问题

MDNastran成功解决了超过4亿自由度的问题. MSC.Software Company有限元法FEM分析变得越来越复杂，并且有限元分析模型的大小和详细设计要求也在不断增加. 特别是在汽车行业，这种趋势非常明显，因此，德国汽车制造商宝马提出了一个问题: “有限元分析可以对这种增长趋势做出多长时间的响应？” “明天以后的建模日”作为考试题的目的是如何突破过去十年中面临的硬件和软件限制问题. MSC.Software和IBM已成功通过此测试. 由数百万个元素和数百万个自由度组成的有限元网格模型已经司空见惯，但模型的规模仍在增加. 由于数学方法和软件工程技术的进步，有限元方法程序的工作效率和计算能力也在不断提高. 同时，模型构建和网格划分软件技术的飞速发展使模型的生成更加方便，快捷. 几年前，发动机汽缸体的啮合耗时数月，但现在仅需几个小时. 德国汽车制造商宝马是使用虚拟仿真技术的公司之一. 在宝马和其他一些制造商中，为了缩短开发周期并减少物理原型和物理测试的数量，已经对整个汽车模型进行了优化. 基础是日益复杂的有限元仿真模型，包括噪声和舒适性刚度评估，乘客安全和空气动力学仿真等.

就数值计算方法而言，使用了隐式线性分析和显式非线性瞬态分析. 早在2007年初，宝马就对计算机辅助工程的CAE流程进行了重新检查，以发现将来可能因仿真模型的尺寸增加而引起的瓶颈. 宝马汽车的车身和零件设计团队开发了最大的有限元方法模型，这是基准测试的测试问题模型，被称为“明天以后的模型”. 团队成员Daniel Heizer博士说: “对我们来说，在标准硬件和软件设备上执行此基准测试非常重要. 使用当前基础结构来解决基准模型问题的目的不是减少计算时间是为了确定当前方法的理论极限和瓶颈. ”基准测试的目的是为目标方法找到极限和时间. 标准分析（双重载荷条件下的线性静态分析）中有限元方法的基本步骤: 读取输入数据，对其进行分类并制成表格，并检查其一致性；计算元素刚体矩阵并集成整体刚体矩阵；计算位移和应力数据；输出结果MSC.Software与IBM合作，仅用了几个月就解决了这个问题；在对该模型进行详细分析的报告中，项目成员Peter Schaltz和Gerard Himmler （MSC.Software），BMW Motor Manufacturing Company的Daniel Heiser和D Petersch（IBM）详细介绍了实现BMW苛刻要求的方法.

“获得型号”的基础是BMW X3汽车的车身. （图片提供: BMW）大多数有限元方法分析程序都存在计算能力不是最佳的情况. 1957年，Ray W. Kraff和他的学生在只有16位内存的IBM701计算机上开发了后来成为有限元方法的方法. 方程约有40个或更多问题需要内核之外的数据（即，数据并非全部存储在内存中，而是存储在硬盘上的临时文件夹中）才能解决逻辑问题，这意味着要使用辅助存储介质. 十年后，在开发Nastran软件之后，要求非常相似. 软件客户端国家航空航天局（NASA）需要开发一个程序，该程序可以对高于2.000自由度（包括2.000自由度）的问题进行静态和动态分析. 现在，这似乎已成为历史. 随着中央处理器（CPU）的处理速度和效率的提高以及内存容量的增加，可以在不使用辅助存储介质的情况下处理诸如有限元矩阵的生成和集成之类的基本操作. 即使是MSC.Software的当前MD Nastran软件，仍然体现了早期软件设计的概念，例如，计算机内存的保存和通过“核心”技术或“溢出”算法实现的I / O（即输入/输出）. 输出）有效利用磁盘子系统.

这些特征对于项目的整体刚度和质量矩阵的生成非常有帮助. BMW X3模型2004宝马X3白车身模型是BMW车型产生的基础，它是一种基本的金属板车身，没有装饰元素. 关于模型的大小，工程师根据经验值进行了调整，并预测到2020年将有约800个自由度. Heizer博士在开发网格划分程序时使用了“原始网格划分技术”（RAT）. ），即使在计算机辅助设计几何图形出现不一致或错误的情况下，该技术也可以实现复杂几何图形的高速六面体网格化. 原始网格技术建模方法的缺点是模型尺寸极大，仅对基本的刚性性能仿真有意义. 用于测试计算的模型的最大边长是1 mm，最终的有限元模型是大约1,000个节点，大约9个BMWX3减震器支撑壳模型（蓝色），以及MODAW工程图的一部分（）. 为了确保测试条件切合实际，并且成本在可控范围内，应在单处理器计算机上与商业软件一起进行测试. 在位于纽约波基普西市的IBM美国测试中心，您可以找到一台满足I / O要求和有限元分析的内存要求的合适计算机. 它使用的计算机系统是IBM p5-595 2.3GHz POWER5 +，其内存为512GB，暂存文件系统为6TB，分布在48个物理磁盘上，每个物理磁盘容量为146GB.

为了最大程度地利用可用内存，计算软件是MSC.Siftware的ILP-64的MDNastran版本. 为了分解整个（集成的）刚体矩阵，计算机应用了具有嵌套细分重排序功能的稀疏直接多面算法. 整体刚体矩阵是95兆单位刚体矩阵的集合. 最终因子矩阵在波前空间中具有5.71011项（超过4TB的数据），估计最多超过100,000. 计算这些结果大约需要一年的CPU时间. 由于时间问题，计算机通过嵌入式PCGLSS迭代求解器应用迭代求解算法，该算法需要更少的内存和磁盘空间，并且对于由三维有限元组成的模型特别有效. 分析工作大约需要50GB的存储空间，此外“ I / O模块”（MIO）还需要10GB的存储空间. 缓存处理器. 在MDNastran软件的常见输入/输出密集型操作中，它仅使用相对较小的存储空间来存储异步预取数据. 为了解决数据量过大的问题，需要对系统参数和输入数据进行大量的调整和设置. 例如，内部网格点坐标的最大数量增加到160万亿（标准: 100万亿），并且PCGLSS迭代解决方案应该根据所用内存的容量和类型来调整设备的参数.

网格点权重的输出要求和质量矩阵的生成要求已从输入数据中删除. 时间和I / O空间节省分别为22分钟/ 226GB和1.4小时/ 450GB. 由于计算机资源的限制，第二个负载条件不在计算范围内. 在串行端口模式下，该模型的分析结果花费了22小时17分钟来进行分析和计算，所花费的CPU秒数为76254. 中央处理单元利用率为95％. 所需的暂存磁盘空间总量为2.27 TB，分析过程包括7.8 TB的I / O磁盘（即硬盘）. 需要进行后处理的二进制输出文件的大小为99.9GB，其中包括未变形的几何图形以及负载条件下的位移和应力输出. PCGLSS迭代求解器经过149次迭代，需要大约230GB的存储空间. 使用的总内存空间约为300GB（MD Nastran软件使用60GB，I / O模块缓存处理器使用10GB，PCGLSS迭代求解器使用230GB）. 该项目基于2003 BMW X3模型. 尽管对内存，磁盘和I / O的要求非常高，但计算过程仍在使用标准软件的标准硬件平台上进行.

鉴于其“出色”的性能，MDNastran分析软件非常适合计算非常大的问题. 除了软件的高效率之外，IBMPOWER5的系统结构还具有较大的存储空间，具有统一而高效的处理速度. 测试证明，MD Nastran可以完全解决超自由度超过1亿的超大型模型. 有关MSC.Software和MD Nastran功能的更多信息，请登录

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