LS-DYNAR9.0之S-ALE

2016-09-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

LS-DYNA新近推出一個新的ALE求解器。新求解器專門針對Structured的ALE網格求解。它支持MPP, SMP和MPP HYRBID并行計算;具有速度快,占用內存少,和求解穩定的特點。

新的S-ALE求解器與舊有的ALE求解器采用相同的Operator Splitting思想,也就是說把一個時間步長內的求解過程分做一個Lagrange時間步和一個Advection時間步。Advection過程中的Flux計算和界面重構算法也是一樣的。

那么既然如此,為什么LSTC要投入人力物力來開發一個算法基本一致的新求解器呢?原因是多方面的。
首先,ALE方法和求解器在各類工程問題中的使用有了很大的變化。早期的ALE應用集中在單材料方面,常常用來模擬固體。那時的網格大部分需要遵循物質界面的幾何形狀,故而Mesh Smoothing也有著廣泛的使用。而到了今天,隨著技術的進步和工程問題自身的變化,ALE方法被集中使用在模擬多個流體在某個特定區域內的運動;以及更重要的,模擬這些流體與固體結構的相互作用。這些問題往往使用非常規則的長方體網格和六面體單元,除局部加密外,單元的尺寸大多一樣。
針對這兩點不同,程序本身可以做很多優化。單材料/多材料方面,如果程序只針對一種情況處理,那么自然的,很多的判斷以及程序的分枝就不再需要了。程序變得非常簡潔,執行的效率也大為提高。內存的使用也有所減少。網格方面,規則網格在Bucket Sorting和Searching算法上,首先效率可以極大提高,內存可以極大減少;其次準確度可以大大提高。例如在流固藕合時使用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID卡片時,我們可以注意到,缺省的Bucket Sorting Frequency是50步做一次。如果在這50步中,流體網格變動較快,則Searching很可能失敗,這會造成流固藕合失效。

其次,LS-DYNA舊有的ALE求解器實現時的程序算法現在看來,有一些比較嚴重的缺陷。在初始編程過程中,對并行計算的友善性考慮不多。這樣一來,在舊有ALE求解器上SMP并行無法實現;MPP雖被成功實現而且被用戶所廣泛接受,但效率較低。

新的S-ALE求解器,在初始設計時,就專門特別考慮并行計算的需要。所有算法和程序實現都采用了對并行計算最優的選擇。程序的流程也被重新設計,以帶來效率的提高和內存的減少。在SMP方面,不僅成功實現了ALE算法的SMP,而且取得了非常優秀的加速比;最值得一提的是,成功實現結果的一致性(Consistency)。在MPP方面 ,由于重新設計了MPPCommunication的Pattern和新算法本身的效率提高,不僅與舊有的ALE求解器相比,運行速度有極大的提高,自身的Scalability也非常優秀。例如在一個5.5百萬ALE單元的爆炸題目中,S-ALE保持了0.9的線性Scalability直到384個Core;與舊ALE求解器相比,運行時間減少56%(48 core)到68%(384 core)。

另外,S-ALE在編程過程中力圖做到盡可能的簡潔。這樣,計算過程效率提高,內存使用大幅減少;更重要的是:簡潔的程序內所含BUG的幾率大大降低。而且,DEBUG過程也變得更為容易,另外也效率更高。舉例來說,新S-ALE求解器核心部分的程序僅有不到300行,而這部分程序通常占用整個求解過程的30%時間。整個S-ALE求解器程序約為2500行左右。對于用戶來說,他們將看到新S-ALE求解器會大為穩定。這也是我們最主要的目的之一:更為愉悅的用戶體驗。

S-ALE求解器的運行

來定義網格間用戶只要使用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片生成規則網格,LS-DYNA就會自動調用新SALE求解器。

換言之,S-ALE求解器使用與否取決于用戶是否使用*ALE_STRUCTURED_MESH產生ALE規則網格。請注意,即使ALE網格是規則的,只要這個規則網格不是由*ALE_STRUCTURED_MESH所產生的,程序也無法使用S-ALE求解器。新求解器本身使用比較簡單,它只增加了兩個獨有的新關鍵字。它們是*ALE_STRUCTURED_MESH和*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS。除附于篇尾的少數例外以外,其它關鍵字的使用基本沿用已有的ALE設置。
請特別注意,這種規則網格里,單元間距不一定非要是均勻的,用戶可以根據需要,使用*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS來定義網格間距。