CN101763448A

CN101763448A - 在多处理器计算机系统中模拟撞击事件的改进方法

Info

Publication number: CN101763448A
Application number: CN200910246429A
Authority: CN
Inventors: 布雷恩·韦恩斯科特
Original assignee: Livermore Software Technology LLC
Current assignee: Livermore Software Technology LLC
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: CN101763448B; US8798973B2; US20100161296A1; JP2010152895A; EP2202659A2; EP2202659A3

Abstract

本发明涉及一种在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的系统、计算机执行的方法和软件产品。所述结构在有限元分析模型中表示，该有限元分析模型被分为多个域。当在具有多个处理单元和用户(工程师和/或科学家)定义和规定的多个接触界面的计算机系统中使用时，该方法提高了效率。每个域与一个处理单元相关或者被分配给一个处理单元。建立或者确定域和接触界面之间的“可分组”关系，使得可以以更高效的方式进行数据通信，例如，在数据通信的过程中使空闲处理单元的数量最少。

Description

在多处理器计算机系统中模拟撞击事件的改进方法

技术领域

本发明涉及结构(例如，汽车，飞机)的计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及一种在多处理器计算机系统中以更高的效率模拟撞击事件的改进方法。

背景技术

有限元分析(FEA)是一种最受欢迎的计算机辅助工程工具，被工程师和科学家用于建模和解决与复杂系统相关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字来自以下事实：被考察的物体的几何形状是特定的。随着现代数字计算机的出现，FEA已经作为FEA软件被实施。基本上，FEA软件设有几何形状描述的模型、以及在模型内的每个点处的相关材料特性。在这个模型中，被分析系统的几何形状由不同尺寸的实体(solid)、壳(shell)和梁(beam)来表示，这些实体、壳和梁被称为单元。各单元的顶点被称为节点(node)。该模型包括有限数量的单元，这些单元被赋予与材料特性相关的材料名。因此该模型代表了被分析物体及其即刻环境(immediate surrounding)所占据的物理空间。然后，FEA软件涉及一个表格，每种材料类型的特性被列在该表格中(例如，应力-应变构成等式、杨氏模量、泊松比、导热性)。另外，指定了物体的边界条件(也就是，负荷、物理约束等)。用这种方式生成物体及其环境的模型。

FEA已经被汽车制造商用于优化汽车的空气动力学性能和结构完整性。FEA受欢迎的任务之一就是模拟撞击事件，例如汽车碰撞、金属变形、飞鸟撞击等。许多原型测试可以被计算机模拟代替，该计算机模拟优选在合理的时间期限(例如，通宵)内执行，使得用户(也就是，工程师和/或科学家)可以多产。为了确保产量，当FEA首先用于模拟撞击事件时，大多数FEA模型受到计算机能力(也就是，处理速度、存储器容量等)的限制。理论上，当计算机随时间改进时，这个问题可以被解决。但是，随着计算机能力在过去几十年的增长，汽车的FEA模型也对应地增加了，例如，汽车的普通FEA模型可包含1,000,000个以上的单元。使用这样大尺寸的FEA模型，使用有限元分析来模拟撞击事件仍然会花费很长的时间。为了解决这个问题，当今的有限元分析模型能够在多处理器计算机上执行。因此，有限元分析的许多方面已经在并行处理中被改进。但是，当用户为撞击事件定义和规定大量的接触界面(contactinterface)时，会出现新的问题。现有技术中处理接触界面的方法导致多处理器计算机系统损失了并行效率，这将会导致产量的损失(很长的模拟时间)或者精度的降低(更小的FEA模型)。

因此，需要一种在具有多个处理单元的计算机系统中执行的有限元分析中采用大量接触界面模拟撞击事件的改进方法。

发明内容

这部分用于总结本发明的某些方面，并简单介绍某些优选实施例。可能对这部分、摘要以及标题进行简化或者省略，以避免本发明的目的不清楚。这样的简化或省略并不用于限制本发明的范围。

本发明公开了一种在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的系统、方法和软件产品。

根据一个实施例，本发明提供了一种在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的计算机实施的方法，所述方法至少包括以下步骤：在连接有多个处理单元的计算机系统中接收经历撞击事件的一个或多个结构的有限元分析模型，其中所述有限元分析模型包含多个接触界面；将所述有限元分析模型分为多个域，这多个域至少包括计算机系统中的第一域和第二域，第一域与所述多个处理单元中的第一处理单元相关，第二域与所述多个处理单元中的第二处理单元相关；在所述计算机系统中确定各接触界面与一个或多个域之间的可分组关系；在所述计算机系统中执行撞击事件的具有多个解法周期的时间推进模拟；在每个解法周期，根据可分组关系生成第一数据通信消息并将它从第一处理单元发送到第二处理单元，使得与接触界面相关的最大可能数据通信被交换；使用在第一数据通信消息中接收的数据，在第一和第二处理单元中为有限元分析中的各接触界面执行多次计算；生成第二数据通信消息并将它沿着与第一数据通信消息相反的方向发送，该第二消息被配置为发送计算得到的数据；以及在所有的解法周期都已经被计算后，在与计算机系统相联的监视器上显示模拟结果。

通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其它目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的可以在计算机系统中执行的示范性有限元分析结果(即汽车碰撞模拟结果)的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的具有分成多个域的多个接触界面的示范性结构的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的接触界面和域之间的示范性可分组关系表；

图4是根据现有技术的有限元分析中的多个接触界面的数据通信和计算顺序表；

图5是根据本发明的实施例的多个接触界面的数据通信和计算的示范性顺序表；

图6是根据本发明的实施例的在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的示范性过程的流程图；

图7是可实施本发明实施例的示范性计算机系统的主要组件的功能示意图；以及

图8是根据本发明的一个实施例的可使用的另一个示范性系统的示意图。

具体实施方式

为了便于描述本发明，必须要提供一些术语的定义，这些术语将会在本申请中通篇使用。应注意的是，以下的定义是为了便于理解和描述根据实施例的本发明。这些定义可能看起来包括与该实施例相关的限制条件，但是本技术领域的人员理解，这些术语的实际含义在应用上已经超出了该实施例：

FEA表示有限元分析。

隐式FEA或者解法指的是Ku＝F，其中K是有效劲度矩阵，u是未知的位移阵列，且F是有效负荷阵列。F是右手侧负荷阵列，而K是左手侧劲度矩阵。该解法在整体级别上执行，并对有效劲度矩阵进行因素分解，该有效劲度矩阵是硬度、质量和阻尼的函数。一个示范性解法是Newmark时间积分法。

显式FEA指的是Ma＝F，其中M是对角线质量阵列，a是未知节点加速度阵列，F是有效负荷阵列。该解法可以在单元级别上执行，而不对矩阵进行因数分解。一个典型的解法被称为中央差分法。

时间推进模拟或者时域分析指的是时域上的工程分析模拟，例如，使用时域中的有限元分析来模拟汽车抗撞击性。

在此参照图1-8讨论本发明的实施例。但是，本技术领域的人员将会理解，此处参照这些附图给出的详细描述是用于解释的目的，本发明可延伸到这些限制实施例之外。

参照图1，是汽车碰撞模拟(即撞击事件)的有限元分析结果的示意图。换句话说，也就是从模拟撞击事件的有限元分析得到的数字结果的图形显示。在模拟中包括两种结构：汽车110和障碍物120。这两种结构都表示在有限元分析模型中。该模拟可以在计算机系统(例如，计算机系统700或者计算机系统800)中作为撞击事件的时间推进模拟以数字形式完成。该汽车可具有1,000,000个以上的有限单元(例如，壳体、实体和梁单元)。对于两种结构之间的接触的计算，用户定义和规定了多个接触界面。该接触界面被配置用于合适地模拟两个或多个结构之间的接触，有时候也用于合适地模拟结构本身。

为了在多处理器计算机系统上执行有限元分析，有限元分析模型根据被称为域分解的技术被分成多个域。目的是将每一个域分配给计算机系统的一个特殊处理单元或者与之相关联，使得每个域的计算负载或者效果大致相等。结构200的示范域在图2中示出。为了说明的简洁性起见，结构200以椭圆示出。结构200分为8个域202a-h，标示为“域0”202a、“域1”202b、。。。、“域8”202h。并且也有八个接触界面222a-h，标示为“接触界面A”222a、“接触界面B”222b、。。。、“接触界面H”202h。这些域通常由可执行域分解方案的有限元应用模块生成。为了执行并行的有限元计算，每个域被分配给多处理计算机系统的一个处理器或者处理单元，或者被多处理计算机系统的一个处理器或者处理单元处理。每个处理单元负责计算所分配的或者相关的域。沿着域的边界的相关数据在各处理单元之间交换。例如，针对接触界面的数据必须在相关的处理单元之间共享。为了利用本发明的优点，每个有限元模型包含多个接触界面，该接触界面由用户定义和规定。需要注意的是，在实际应用中，结构通常是三维的物体(例如，汽车)，而不是图2所示的简化的椭圆。

根据域和接触界面的物理位置，可确定可分组关系。例如，图3的表300示出了域302和接触界面304之间的示范性可分组关系。例如，“界面A”横跨三个域：由X表示的“域0”“域1”和“域2”，“界面B”覆盖“域2”、“域3”“域4”和“域5”，等等。由于域302的每一个都与一个处理单元相关或者被分配给一个处理单元，每一个域302的有限元分析计算都由相应处理单元来计算。如果整个接触界面都位于一个域内，则计算由相应的处理单元执行而不会与其它的处理单元有任何的数据通信。但是，由图3明显看出，当接触界面304横跨一个以上的域时，需要采用来自其它处理单元(或者域)的某些数据来执行有限元分析中的结构接触的计算。例如，“接触界面A”的结构接触在分配来处理“域0”“域1”和“域2”的处理单元中计算。因此，在计算前和计算后需要这些处理单元之间的数据通信。同样地，“接触界面M”需要包括“域1”、“域5”“域6”和“域7”之间的数据通信，来确保合适的接触计算。

图4是根据现有技术的计算顺序表。顺序从“接触界面1”开始-通信402，接下来是计算404，然后是另一通信406。接下来“接触界面2”-通信412、计算414和另一通信416。这些顺序继续直至最后一个界面“接触界面n”，采用通信422、计算424和通信426。现有技术的方法是低效和有顺序的。因此，当任意一个接触界面被处理时，有些处理单元是空闲的。当用户定义和规定了大量的接触界面(例如，50个以上)时，由于如此多的接触界面，现有技术中的方法会变得非常低效。

图5是根据本发明的实施例的多个接触界面的数据通信和计算的示范性顺序表。首先在发送到其它处理单元之前，所有接触界面(例如，图3中的“界面A”。。。“界面M”)的数据通信502被分组为一个消息。这可确保以最高效的方式并行交换最多可能的数据通信。为了建立第一数据通信502，需要识别、建立和确认“可分组”关系(例如，图3的表300)。只有允许进行并行处理的那些接触界面才被认为是“可分组的”。当特定接触界面的计算取决于其它接触界面时，该特定的接触界面不能被包括在“可分组”关系中。

在第一数据通信502已经完成后，结构接触的计算504可在各处理单元中执行。在计算504之后，第二数据通信506被生成，并沿着与第一数据通信502相反的方向传递以完成一个周期步骤(例如，有限元分析的一次迭代、时间推进模拟的一个解法周期等)。

为了证明效率，根据本发明的一个实施例，所使用的示范性有限元分析模型包括1,151,856个节点和1,116,160个壳单元，并使用了75个接触界面。带有8个、16个、32个、64个和128个处理单元的计算机系统被用于比较研究。计算结果总结如下，以显示相对于现有的方法的改进。

	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器
	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器	现有技术	7198	4143	2292	1480	1092
本发明	7099	3559	1805	995	696	现有技术	7198	4143	2292	1480	1092

表1-共用时间(秒)

	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器
	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器	现有技术	5941	3431	1939	1247	898
本发明	5863	2916	1494	813	546	现有技术	5941	3431	1939	1247	898

表2-接触时间(秒)

	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器
	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器	共用时间	1	1.99	3.93	7.13	10.2

	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器
	8个处理器	16个处理器	32个处理器	64个处理器	128个处理器	接触时间	1	2.01	3.92	7.21	10.73

表3-增速(本发明)

表1示出了现有技术的方法和本发明在以秒为单位的共用时间之间的比较，而表2示出了以秒为单位的接触时间。共用时间是整个模拟的计算时间，接触时间是仅花在接触计算上的计算时间。表3示出了使用根据本发明的一个实施例的方法在以8个处理单元运行作为基准(即增速为1.0)时的增速的统计。加速加总包括共用时间和接触时间。

现在参照图6，是根据本发明的一个实施例在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的示范性过程600的流程图。过程600在软件中实施，优选地，参照之前的附图来理解。

过程600从在步骤602中在计算机系统内接收撞击事件(例如，汽车碰撞、金属变形等)模拟的定义开始。计算机系统配置有最好是两个以上的多个处理单元。定义包括有限元分析模型，该有限元分析模型包含具有多个接触界面的一个或多个结构。接触界面由有限元分析或者模拟的用户(例如，工程师和/或科学家)来定义或者规定。

接下来，在步骤604，根据域分解方法，有限元分析模型被分为多个域。每一个域与一个处理单元相关联或者被分配给一个处理单元。接下来在步骤606中建立和确定域和接触界面之间的可分组关系。一旦可分组关系被确定，可采用以下步骤执行撞击事件的时间推进模拟的每个解法周期。在步骤608中，生成第一数据通信消息，并根据可分组关系从第一处理单元发送到第二处理单元，使得以最高效的方式来交换最大可能的数据通信。最高效方式的一个例子是当执行数据通信时，使空闲的处理单元最少。接下来在步骤610，使用在步骤608接收的数据和本地存储的数据，在各处理单元中执行有限元分析的结构接触(在每个接触界面处)的计算。最后，在步骤612，生成第二数据通信消息，并沿与第一数据通信消息相反的方向发送，使得步骤610的计算得到的信息被传回到第一处理单元。

在每个解法周期后，过程600继续至测试步骤614，在其中确定模拟是否已经结束。如果否，过程600回到步骤608，继续执行另一个解法周期的模拟。否则，过程600继续至步骤616，其中如果需要，则将模拟结果显示在与计算机系统相连的监视器上。该结果可以是图形和/或文字形式，供用户作出决定以改善或设计结构。最后，过程600结束。

根据一方面，本发明涉及一个或多个可执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统700的例子在图7中示出。计算机系统700包括一个或多个处理器，例如处理器704。处理器704连接到计算机系统内部通信总线702。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如果使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。

计算机系统700还包括主存储器708，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器710。辅助存储器710包括例如一个或多个硬盘驱动器712和/或一个或多个可移除存储驱动器714，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器714用已知的方式从可移除存储单元718中读取和/或向可移除存储单元718中写入。可移除存储单元718代表可以由可移除存储驱动器714读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元718包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器710可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统700。这样的机制包括例如可移动存储单元722和接口720。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元722和允许软件和数据从可移动存储单元722传递到计算机系统700的接口720。通常，计算机系统700由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。

可能还设有连接到总线702的通信接口724。通信接口724允许软件和数据在计算机系统700和外部设备之间传递。通信接口724的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。计算机700基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口724将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口724处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机700的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器714和/或设置在硬盘驱动器712中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统700的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统700还包括输入/输出(I/O)接口730，它使得计算机系统700能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。

计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块706存储在主存储器708和/或辅助存储器710中。也可通过通信接口724接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统700执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器704执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统700的控制器。

在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器714、硬盘驱动器712、或者通信接口724加载到计算机系统700中。应用模块706被处理器704执行时，使得处理器704执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器708可被加载一个或多个应用模块706，所述应用模块706可被一个或多个处理器704执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口730输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器704执行一个应用模块706时，结果被计算并存储在辅助存储器710(也就是，硬盘驱动器712)中。有限元分析(例如，汽车抗撞击)的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口730报告给用户。

现在参照图8，是包括四个计算机802A-D的示范性计算机系统800的示意图。每个计算机802A-D包括至少一个处理器804A-D。根据一个实施例，处理器804A-D可以是单核、双核或者四核微处理器。计算机802A-D通过数据网络810彼此连接。数据网络810可以是紧耦合网络或者松耦合网络。在一个实施例中，网络810是因特网。在另一个实施例中，网络810是私人网络。在另一个实施例中，网络810是计算机802A-D的专用网络。

根据本发明的一个方面，计算机系统700或800被配置为具有多个处理单元。每个处理单元可以是单个中央处理器804A-D，或者多核微处理器中的一个核。每个处理单元被配置成处理图2所示的域分解方法中被分解的多个域中的一个。

虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然图2已经示出并描述了八个域和八个接触界面，但是本发明也可使用其它数量的域和界面。此外，虽然图8示出了四个互联的计算机，但是也可以使用其它数量的计算机，例如八个计算机，每个带有一个处理器；带有256个处理器的一个计算机；或者四个计算机，每个带有一个双核处理器，等等。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及后附权利要求的范围内。

Claims

1.一种在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的计算机实施的方法，其特征在于，所述方法包括：

在连接有多个处理单元的计算机系统中接收经历撞击事件的一个或多个结构的有限元分析模型，其中所述有限元分析模型包含多个接触界面；

将所述有限元分析模型分为多个域，这多个域至少包括计算机系统中的第一域和第二域，第一域与所述多个处理单元中的第一处理单元相关，第二域与所述多个处理单元中的第二处理单元相关；

在所述计算机系统中确定各接触界面与一个或多个域之间的可分组关系；

在所述计算机系统中执行撞击事件的具有多个解法周期的时间推进模拟；在每个解法周期，

根据可分组关系生成第一数据通信消息并将它从第一处理单元发送到第二处理单元，使得与接触界面相关的最大可能数据通信被交换；

使用在第一数据通信消息中接收的数据，在第一和第二处理单元中为有限元分析中的各接触界面执行多次计算；

生成第二数据通信消息并将它沿着与第一数据通信消息相反的方向发送，该第二消息被配置为发送计算得到的数据；以及

在所有的解法周期都已经被计算后，在与计算机系统相联的监视器上显示模拟结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个结构中的每一个都包括汽车。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述撞击事件包括汽车碰撞。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机系统包括至少两个处理单元。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接触界面包括至少两个界面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机系统包括至少一个计算机，每个计算机具有一个以上的中央处理器。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机系统包括一个以上的计算机，每个计算机具有至少一个中央处理器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中央处理器包括至少一个处理核。

9.一种包含指令的计算机可读媒介，所述指令用于控制计算机系统通过一方法在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中执行撞击事件模拟，所述方法包括：

10.一种在用于辅助用户设计或者改进一个或多个结构的有限元分析中模拟撞击事件的系统，其特征在于，所述系统包括：

主存储器，用于存储有限元分析应用模块的计算机可读代码；

与主存储器相联的多个处理单元，所述处理单元执行主存储器内的计算机可读代码，使得有限元分析应用模块通过以下方法来执行操作：

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述计算机系统包括至少两个处理单元。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述接触界面包括至少两个界面。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述计算机系统包括至少一个计算机，每个计算机具有一个以上的中央处理器。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述计算机系统包括一个以上的计算机，每个计算机具有至少一个中央处理器。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述中央处理器包括至少一个处理核。