3分52秒！利用超算云实现10倍速车身百万级自由度模态分析计算

发布时间：2023-06-28 15:40

导读

车身是汽车的骨骼，对整车的舒适性、操作性以及安全性等具有重要作用。车身在设计过程中，一方面需要考虑到整车在行驶过程中受到的阻力，让车更省油，又要增加车辆行驶时的压力，这就需要使用空气动力学相关知识对车体外形，底盘，进气格栅及尾翼等进行优化设计。

车身外流场

另一方面，车身本身的结构刚度、强度、耐久、轻量化及安全性也需要达到相关标准要求，要结合使用结构力学，振动力学，弹塑性力学等相关知识对白车身，座椅，被动安全装置，减振设备等进行设计。

车身模态分析

由于车身是一个极其复杂的结构系统，如果直接通过理论计算很难准确得到相关性能参数，而通过搭建实验平台又需要花费大量时间和成本。

因此在车身研发过程中，通常会先进行数值仿真，得到结构的基本力学性能参数，反馈到设计环节中，对不合理的参数进行优化，最后再通过实验测试验证产品的最终性能。

在这一过程中，无疑会用到各种数值仿真软件，而这些数值仿真软件计算过程的实现都需要大量算力的支持。

对于车身这种复杂装配体，个人计算机由于硬件架构和系统软件的限制，很难满足计算需求，而高性能计算机集群的出现，可以充分发挥各类软件的并行计算能力，解决计算速度和计算规模的问题。

本文使用并行超算云服务平台，以某白车身的模态分析为实例，对超算平台的使用进行简要说明，平台具体参数如下：

某白车身模态分析

本地准备工作 >>>

由于前处理在整个分析流程中占比较长，并且对电脑性能要求相对不高，为了减少超算资源的占用，一般会将前后处理部分放在本地进行，比如本文就在本地台式机软件中完成前处理有限元模型的搭建：

白车身有限元模型（本地电脑）

登录并上传作业 >>>

将处理好的有限元文件打包好，登录超算平台指定账号，通过数据交互软件上传计算文件，这里使用WinSCP：

超算平台界面

上传完成可以看到在超算平台提供的磁盘空间中已经存在打包好的计算文件。

创建计算作业 >>>

上传好作业之后，根据需求选择对应的求解器配置，申请对应分区的计算需求：

超算平台界面

在超算平台进行计算 >>>

由于超算平台提供了对应版本的图形化界面以供使用，只需要在对应窗口打开需要使用的软件工具，读取打包好的分析模型，修改部分计算参数，进行求解计算：

导入后模型（超算平台）

计算情况如下：

网格类型：高阶壳单元

节点数量：47万

自由度数：280万

调用核心：60核

计算时间：3分52秒

结果后续处理 >>>

对于较为复杂的结果，一般需要导出到本地电脑进行后续处理，但是基本的计算结果也能在超算平台进行处理：

模态振型（超算平台）

用户的并行超算云使用体验

本文在并行超算云服务平台上，对某白车身进行了百万级自由度的模态分析计算，大致总结如下：

①车身由于零部件较多，尺寸较大，且大部分零件需要处理为壳体模型，因此整体有限元模型的自由度数比较多（百万到千万），如果在本地电脑进行计算，很容易因为内存不足而没办法处理，而超算中心由于配备的内存空间足够多，因此能满足大部分复杂模型计算需求。

②计算规模较大决定了较长的计算周期，本地电脑由于CPU核心数限制，很难调动起软件的并行效率，但是超算平台很容易进行64核，128核甚至更多核心的并行计算，加速效果非常可观。

③车身结构一般需要对不同版模型在多种工况下的安全性能进行计算，本地电脑由于硬件限制大部分情况只能单模型单工况处理，而超算平台可以通过提交多个任务同时进行多模型多工况计算，大大缩短了项目周期，特别是对于需要进行多轮优化的结构部件，提升效率更加显著。

④相比于早期需要调用大量命令的情况，目前超算平台已经具备了较为完善的可视化界面，大部分工作都能够在平台内完成，大大降低了上手难度和学习成本。

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