LS-DYNAR9.0之S-ALE

2016-09-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

LS-DYNA新近推出一个新的ALE求解器。新求解器专门针对Structured的ALE网格求解。它支持MPP, SMP和MPP HYRBID并行计算;具有速度快,占用内存少,和求解稳定的特点。

新的S-ALE求解器与旧有的ALE求解器采用相同的Operator Splitting思想,也就是说把一个时间步长内的求解过程分做一个Lagrange时间步和一个Advection时间步。Advection过程中的Flux计算和界面重构算法也是一样的。

那么既然如此,为什么LSTC要投入人力物力来开发一个算法基本一致的新求解器呢?原因是多方面的。
首先,ALE方法和求解器在各类工程问题中的使用有了很大的变化。早期的ALE应用集中在单材料方面,常常用来模拟固体。那时的网格大部分需要遵循物质界面的几何形状,故而Mesh Smoothing也有着广泛的使用。而到了今天,随着技术的进步和工程问题自身的变化,ALE方法被集中使用在模拟多个流体在某个特定区域内的运动;以及更重要的,模拟这些流体与固体结构的相互作用。这些问题往往使用非常规则的长方体网格和六面体单元,除局部加密外,单元的尺寸大多一样。
针对这两点不同,程序本身可以做很多优化。单材料/多材料方面,如果程序只针对一种情况处理,那么自然的,很多的判断以及程序的分枝就不再需要了。程序变得非常简洁,执行的效率也大为提高。内存的使用也有所减少。网格方面,规则网格在Bucket Sorting和Searching算法上,首先效率可以极大提高,内存可以极大减少;其次准确度可以大大提高。例如在流固藕合时使用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID卡片时,我们可以注意到,缺省的Bucket Sorting Frequency是50步做一次。如果在这50步中,流体网格变动较快,则Searching很可能失败,这会造成流固藕合失效。

其次,LS-DYNA旧有的ALE求解器实现时的程序算法现在看来,有一些比较严重的缺陷。在初始编程过程中,对并行计算的友善性考虑不多。这样一来,在旧有ALE求解器上SMP并行无法实现;MPP虽被成功实现而且被用户所广泛接受,但效率较低。

新的S-ALE求解器,在初始设计时,就专门特别考虑并行计算的需要。所有算法和程序实现都采用了对并行计算最优的选择。程序的流程也被重新设计,以带来效率的提高和内存的减少。在SMP方面,不仅成功实现了ALE算法的SMP,而且取得了非常优秀的加速比;最值得一提的是,成功实现结果的一致性(Consistency)。在MPP方面 ,由于重新设计了MPPCommunication的Pattern和新算法本身的效率提高,不仅与旧有的ALE求解器相比,运行速度有极大的提高,自身的Scalability也非常优秀。例如在一个5.5百万ALE单元的爆炸题目中,S-ALE保持了0.9的线性Scalability直到384个Core;与旧ALE求解器相比,运行时间减少56%(48 core)到68%(384 core)。

另外,S-ALE在编程过程中力图做到尽可能的简洁。这样,计算过程效率提高,内存使用大幅减少;更重要的是:简洁的程序内所含BUG的几率大大降低。而且,DEBUG过程也变得更为容易,另外也效率更高。举例来说,新S-ALE求解器核心部分的程序仅有不到300行,而这部分程序通常占用整个求解过程的30%时间。整个S-ALE求解器程序约为2500行左右。对于用户来说,他们将看到新S-ALE求解器会大为稳定。这也是我们最主要的目的之一:更为愉悦的用户体验。

S-ALE求解器的运行

来定义网格间用户只要使用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片生成规则网格,LS-DYNA就会自动调用新SALE求解器。

换言之,S-ALE求解器使用与否取决于用户是否使用*ALE_STRUCTURED_MESH产生ALE规则网格。请注意,即使ALE网格是规则的,只要这个规则网格不是由*ALE_STRUCTURED_MESH所产生的,程序也无法使用S-ALE求解器。新求解器本身使用比较简单,它只增加了两个独有的新关键字。它们是*ALE_STRUCTURED_MESH和*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS。除附于篇尾的少数例外以外,其它关键字的使用基本沿用已有的ALE设置。
请特别注意,这种规则网格里,单元间距不一定非要是均匀的,用户可以根据需要,使用*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS来定义网格间距。