高性能计算在工业工程领域的应用和进展.ppt
高性能计算在工业工程领域的应用和进展,一 高性能计算在制作业领域的应用目前的状况 近年来高性能计算在工业和制作业领域的应用越来越存在广泛和广泛。从TOP500的计数信息来看，工业领域所占的比例在不断增加。2005年六月，工业用户运用的高性能计算机占到52.8。而那里面的半导体和制作业用户所占的比例相当可观。那里面美国半导体企业大约有70台，美国Boeing有4台,Lockheed Martin有2台，德国BMW有7台，德国VW有2台，德国Siemens有2台。很多国际闻名的制作业大企业已成功实现了产品的虚拟化预设和制作，并成功实现了全世界资源共享,利用全新的理念预设产品。美国GM,美国GE,东洋Nissan等企业都领有共计算有经验超过10万亿次的高性能计算机用于新产品的开发。Boeing企业在上百年90时代就成功实现了无纸化预设。B,oeing企业已宣告利用高性能计算机对航空引擎发动机施行全物理过程的摹拟仿真。主导世界制作业方向的大集团企业到现在为止都领有数量多的超级计算机用于产品预设和数值处置，制作业信息化是知识经济时期公司中心竞争的不可缺少组成环节。下边以计算流体动力学（CFD）为例，解释明白高性能计算机的进展对工程应用领域的莫大推动效用。自二十百年六十时代以来CFD技术获得飞速进展，其原动力是不断提高的工业需要，而航空航天工业自始至终是最坚强雄厚的推动力。传统飞行器预设办法尝试极其昂贵、消耗时间，所获信息有限，强迫做许多人需求用先进的计算机仿真手眼引导预设，数量多减损原形机尝试，缩减开发周期，节省研讨经费。如美国歼击机YF-23认为合适而使用CFD施行气动预设后比前一代YF-17减损了60的风洞尝试量。到现在为止在航空、航天、交通工具等工业领域，利,用CFD施行的反反复复预设、剖析、优化已变成标准的必经步骤和手眼。不过还有数量多的问题需求更大规模的计算能力满意需要。如飞机预设中全机气动性能计算，火箭引擎发动机复杂多变的燃烧现象和跨音速流动摹拟，导弹的气动隐身性能评估，低阻力系数高性能交通工具外形的预设和剖析，透平机械复杂叶型及组合的预设剖析，潜水艇尾迹摹拟，高明音速航天器空气动力学预设剖析，核能发电站水蒸汽两相流流动剖析，非定常状况的物理过程如飞机开始飞行落下、转载下空间推进剂忽悠剖析等。这些个大规模预设计算问题不惟单个作业计算量极大，且需不断调试，重复计算。许多人打算在众多场合希望让步如果直接去求解和考求机理问题。如抛开基于计数理论的湍流简化板型直接摹拟（DNS）湍流，这在计算有经验有限的以往几乎是没有办法假想的。现时CFD问题的规模为：机理研讨方面如湍流直接摹拟，网格,数达到达109（十亿）量级，在工业应用方面，网格数最多达到达107（务必）量级。工程计算中的困难的问题随着计算技术和计算机的进展而不断解决。与此同时，新的问题又会不断萌生。例如，从基本材料的组份与建构到复合材料，从复合材料做成构件，再由构件装配成工程/产品，存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象；不一样的尺度听从于不一样的物理、力学板型；经过对宏观板型的细分，不可以造成细观和微观板型；相反，经过微观和细观板型的无限迭加，也难造成宏观板型。因为这个，在工程/产品的精密细致剖析中，客观地会碰到多尺度板型的耦合问题。到现在为止的CAE软件，都是仅限于宏观物理、力学板型的工程/产品剖析。计算机性能和计算办法的限止是一个关紧的因素。二 Cluster整体体系的高性能计算机推动了工程计算在超级计算机进展中，随着Cluster架构的一天一天慢,慢地成熟及其系统一管理理技术和软件的逐层完备，并借助于Linux系统的不断进展，其构建的系统规模在不断扩张。在TOP500中，Cluster已经变成主流结构，且进展形势强有力。2006年六月宣布的名次中，Cluster架构的机器已有364台，占72.8。工业和制作业在计算和数值处置方面的应用，因为其资金、规模以及实际解题的规模限止，对计算机机型并非越大越好，往往认为合适而使用中型或小规模规模的超级计算机达到的效果和加传动比有可能比大规模的更好。正就是这样端由，制作业新产品开发挑选制导致本低，可扩展性极强，容易建构和保护，对运行背景要求低的Cluster整体体系的高性能计算机。另一方面，Cluster整体体系的高性能计算机的进展推动了工程计算的进展，工业和制作业运用高性能计算机的门槛不断减低，几乎获得了存在广泛的应用。制作业领,域的额外一个主要独特的地方是利用行业公认的经济活动软件施行剖析和计算，尤其是牵涉到到大型工业产品预设，如飞机，船只，交通工具等，所用软件务必获得行业标准的许可。随着高性能计算机的广泛应用和迅速进展，近年来CAE软件研发企业纷纷支持高性能计算，例如MSC,ANSYS,Fluent等大型工程剖析软件企业，纷纷推出并行计算版本，支持高性能计算机的应用，尤其是对基于Linux操作系统的Cluster整体体系的支持，推动了广大制作业大规模计算应用的进展。三、完整的工业整体体系对高性能计算有数量多的需要以上海为龙头的长江三角形洲地地区是中国大型制作业的基地，在航天航空，交通工具，船只，核能发电工程等领域有举足轻重的地位。上海地区完整的工业整体体系的信息化，尤其是产品预设和开发过程对高性能计算的需要十分十分急切。在航天领域，国度已开始,工作中国新一代无毒、无污染搭载火箭的研究制造办公，该火箭研究制造成功后将各个方面进入了全世界商用搭载市场的竞争。上海航天局将承受局部总体和分系统研究制造办公。航天工业是高性能计算应用开展最早、应用最广泛的工业领域，有数量多的问题，例如高明音速飞行器外形空气动力学预设和剖析、飞行器气动热、结构耦合剖析、不一样负荷条件下推进剂行径摹拟、火箭电磁兼容性剖析等都需求大规模的计算和仿真。航天工业是中国大力进展的高科技产业,它的进展将直接帮带有关产业。在航空方面，中航商用飞机有限企业和中航一集团第1研讨院承受的国度重点项目支线飞机的开发，高性能计算在数字风洞、气生气弹、结构强度、负荷疲乏等方面有数量多的应用，施行人民生活所使用的飞机、军用飞机和通用飞机的组件、器件、全机的计算、剖析、研讨和摹拟等。在核能发电工程方面，上海核工程研讨院承受的,国产100万功率单位压水堆核能发电站前一阶段预设及国内多个核能发电站的预设担任的工作，在核反响堆堆芯热工水动力剖析，核反响堆尽力照顾和扼制剖析，核反响堆主冷系统流固耦合剖析，核级设施应力剖析与抗震力学剖析等方面需求大规模的计算。在船只制作方面，上海年造船有经验将从150万吨增长到1200万吨，在自主预设有经验方面也务必有大力的提高，高性能计总算定然的挑选手眼。经济参照报2005年0四月0八号刊载的文章“预设滞后拖中国造船业后腿，水准与东洋相差15年”指出，计算手眼滞后是我国船只预设水准与海外有很大差距的一个关紧端由。在交通工具制作方面，上汽集团交通工具工程研讨院承受的具备自主知识产权的交通工具预设、泛亚交通工具和大众交通工具向整车开发的大步推进带来的很大的交通工具预设担任的工作。在交通工具预设中整车碰撞仿真，虚拟制作（三维,虚拟装配、冲压仿真等），整车空气动力学预设，虚拟试车场等需求高性能计算作为支撑条件。中国到现在为止是一个制作大国，正在向制作强国的方向尽力尽量，工业产品开发和预设有经验至关关紧，作为不可少工具的高性能计算机及其有关的软件和工程化的整体体系将获得看得起，但工程计算的应用需求一个比较长时期的积累过程能力与产品预设有机地关涉起来，施展坚强雄厚的效用。到现在为止从上面所说的工业制作业项目没有办法直接推算出一个非常准确的计算有经验需要，上海超级计算核心经过市场调查研究，获得2006年上海地区大型制作业预设和开发对高性能计算机的峰值计算有经验需要（非均匀计算有经验需要）将达到15.7T Flops。四、上海超级计算核心在工程计算领域的应用和进展 从TOP500剖析可见，前100名大型超级计算机，大多数是美国、东洋以及欧罗巴洲那,一些安装在国度中心部门和由国度支持的以科学研究为主的超级计算核心或数值核心，主要用于学术和科学研究和国度信息安全。而数量多的安装在工业和公司的超级计算机规模并不尤其大，主要用于处置经济活动数值和制作业产品预设中的工程计算，由公司依据实际需要投资建设。我国特别的国情表决了公司的科学研究投入非常有限，到现在为止还没有公司树立高性能计算核心的案件的例子，但公司产品创新和可连续不断进展，需求现代化的预设剖析工具。上海超级计算核心在支持科研领域的高性能计算应用的同时，为广大的工业和制作业公司供给工程计算方面的服务和应用。上海超级计算核心设立于2000年十二月，是2000年上海市1葇諀工程上海信息港主体工程之一，由上海城市管理工作府准许投资建设，座落于浦东张江高新技术研发园区内。上海超级计算核心是国内第1家集高性能计算应用、科学研究研,发与创新、技术支持与咨询、人材培育、科学普及教育等多功能为一体的面向社会形态开放、资源共享、设备一流、功能应有尽有的高性能计算公共服务平台。上海超级计算核心帮忙科学研究单位增长新技术创新有经验，帮忙公司加快新产品的研发与创新进程项，增长国际竞争有经验，为上海市“科学教育兴市”战略的实行供给服务与支撑。上海超级计算核心自投入运行以来，本着随需应变的理念，为上海各行各业供给了数量多的高性能计算应用服务，软硬件资源获得充分管用地利用，在天气预报、药物预设、性命科学、交通工具预设、土木匠程、物理、化学、航空航天、船只预设、背景尽力照顾、新材料等十多个应用领域获得了一系列重大成果，充分施展了公共服务平台的关紧效用。上海超级计算核心在领有峰值计算有经验每秒10万亿次的高性能计算机的同时，配备了获得天底下大型制作业许可的，广泛应用于工程计算,的大规模经济活动软件，例如用于CFD的软件Fluent、CFX，用于结构剖析的Ansys、Nastran等，用于非线性动力学剖析的LS-Dyna、Pam-Crash等。四年多来，已经在航天航空、交通工具、船只、核能发电工程、钢铁、城市管理工作工程等领域开展了数量多的应用推广办公，积累了工程计算方面数量多的实践经验。依据业务需求，上海超级计算核心正在建设专业领域的综合预设剖析平台，将零散的软件集成起来，依据行业的独特的地方，供给功能更加坚强雄厚，更加专业化的平台。到现在为止正在建设的有面向交通工具、飞机和船只预设的三个专业综合服务平台，将提高上海超级计算核心在工程计算领域的服务水准静有经验，更好地施展公共服务平台的效用，为上海科学教育兴市主战略服务，为加快我国工业和大型制作业信息化进程项做贡献。上海超级计算核心以开放，共享的，应,用服务供应商的标准样式为全社会形态各领域供给高性能计算服务，突破传计数算核心的闭合标准样式，发明新式科学研究和生产资料，供给国际水平的现代化科学研究背景，为跨行业跨学科的技术合作发明机缘。上海超级计算核心在供给高性能计算资源的同时，开展并行计算办法研讨和自主高性能软件研发。因为匮缺并行算法和软件，超级计算机在工程应用中还远未充分施展效用，上海超级计算核心以应用为打破口，以国产超级计算机为平台，着重提出并行算法预设、软件研发与工程应用的紧急接合。依据工程应用需要，研讨并行计算关键技术；针对超级计算机独特的地方，进展工程应用办法，例如，研发了基于算术板型地区范围分解的并行算法与软件、基于算术板型时域分解的并行算法与软件、基于力学板型地区范围分解的并行算法与软件、特大型工程地震安全性名声的并行算法和软件、交通工具碰撞意外重演的并行算,法与软件、工程应用的全三维非线性建模办法与技术，形成了一套具备鲜亮独特的风格与优势，并具备自主知识产权的解决工程应用中大规模复杂系统结构动力学问题的系统技术。在重大工程领域，解决了上国外环形路线隧洞、上海复兴路隧洞、上海光源工程、上海世博会变电站、上海液化天然煤气工程和上海崇明越江隧洞等重大工程中认为合适而使用现得法法不可以解决的结构动力学问题。上海超级计算核心在高性能计算办法的研讨和软件研发方面还在不断考求和拓宽，接合工程和科学计算的要求，接合高性能计算机的特别的性质，研发高速率的计算办法，解决工程和科学问题。五、论断高性能计算已变成计算科学的主流，面向工业和工程的复杂问题，树立算术板型并研发高效能的软件是到现在为止应用的瓶颈之一。超级计算核心的运行标准样式是一种资源聚拢的比较好的标准样式，是多学科融和，交错和合作的平台。在,工业产品自主创新方面，CAE软件起了很关紧的效用，自主CAE软件中里面含有了数量多的产品预设理念和办法，只有自个儿的CAE系统，能力真正谈得上自主的新产品预设研发整体体系。在此呼吁国度看得起自主CAE软件研发和应用。参照文献1 谢向辉，胡苏太，务必亿次超级计算机展望，中国计算机学融会贯通讯，2006，2（1）：2226.2 黄凯，徐志伟，可扩展并行计算技术、结构与编程.北京：机械工业出版社，2000.笔者简介：李根国，男，1969年二月落生，专业方向是计认真算数学，力学，工学博士，高级工程师，如今上海超级计算核心办公，充当核心副主任。主要投身高性能计算研讨和应用，尤其特长高性能有限元计算办法在工程和工业产品预设中的应用。先后在国际和国内关紧学术刊物上刊发20余篇论文，大多被SCI、EI等检索或收录。,
