高性能计算应用21

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高性能计算应用

大规模柴油机动力学抗冲击并行仿真计算

●丁峻宏 王 惠 刘 波

上海超级计算中心 上海 ２０１２０３ ｊｈｄｉｎｇ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ

●宋雅丽 任建军

沪东重机有限公司 上海 ２００１２９

摘要：

针对柴油机动力冲击仿真问题，采用显式动力算法，对柴油机复杂结构进行了详细建模和

精细仿真，并对处于不同工作状态下的柴油机开展了机构运动和动力冲击问题的单独和综合模

拟。为满足计算调试和多组工况带来的大规模计算需求，问题求解借助了高性能计算资源；通

过不同计算平台上多核并行计算和性能数据比较，分析了独特并行加速现象，并探求了合理的

并行加速策略。计算表明，动态仿真方法有利于柴油机运动和动力问题的一体化研究，而借助

高性能计算资源方能为问题求解和深入研究提供必要保障，文中结论可对柴油机类似复杂冲击

问题研究提供一定参考。

关键词：柴油机，显式算法，机构运动，动力冲击，并行计算

柴油机是目前船舶上使用最广的动力装置，在船只受到不可预测的外部冲击载荷作用下，作为主动力源的柴油机抗冲击性能将直接影响到船舶的续航，因此对其开展研究具有重要意义。

包括柴油机在内的船舶设备结构力学性能相对复杂，研究难度大，此外由于一些应用比较特殊，因而关于其冲击响应特性研究的国外文献资料并不太多。虽然国内这方面工作起步较晚，但近年来相关研究逐渐涌现，随着计算数学和计算力学的发展，基于仿真计算并结合少量实验的方法对船用设备开展抗冲击研究正不断走向深入。

船舶设备冲击响应计算分析方法包括模态叠加法、直接积分法、冲击因子法、有限元法以及多体动力学方法等［１］。随着计算机软硬件技术的飞速发展以及对船舶设备研究的深入，结合有限元法和多体动力学法特点的刚柔混合模拟实际运用越来越多并逐渐成为主流。比如从有限元模型子结构缩减出发，转入多体动力学软件中分析求得力学边界条件，最后恢复有限元精细模型计算动应力［２，３］。再比如借助有限元软件进行模态分析得到柔性体中性输出文件，转入多体动力学软件计算系统动力学特性［４－６］。计算过程涉及跨软件操作和中间数据传递，需要由专业研究人员才能完成。

对于柴油机等复杂机械设备来说，无论是有限元法还是多体动力学法，最关键的是对各零部件之间的联接处理，比如运动联接、螺栓联接，焊铆联接等。多体动力学法多用于模拟分析复杂机械系统运动规律和部件受力环境，但是刚体定义过多必然失真，而定义过多柔体将增加模型和处理过程的复杂性。有限元法则可以更好地模拟船用设备柔体冲击力学特性，网格细化和细节模拟也将有助于深化研究，但大量零部件机构运动模拟以及计算网格规模扩大对普通计算机的能力提出了挑战。

更重要的是，对于处于运行状态下的柴油机承受冲击问题来说，仿真模型应该要同时考虑系统机构运动和动力冲击两方面特性的影响。在针对大型复杂柴油机结构开展研究分析时，如若在同一模型中能同时直接模拟这两个问题［７，８］，减少中间数据传递，则有利于提高工业企业仿真计算的一体化、便捷性甚至准确性。

本文针对某型号１６缸柴油机，利用有限元前处理软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ以及ＡＢＡＱＵＳ，对其所包含大量零部件进行了合理建模和一体化组装，建立了大规模柴油机动力学冲击仿真模型，计算则基于超级计算

注：　原文发表于《振动与冲击》２０１４年第３３卷第２期第１６３－１６７页，　此处略有改动．

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《高性能计算发展与应用》 ２０１４年第一期 总第四十六期

机、显式动力算法和区域分解并行求解方法，研究了冲击载荷作用下柴油机中重要零部件受到的冲击响应和安全性能，并就如何有效使用高性能计算资源来解决此类大规模仿真分析进行了探讨。

１．　原理与方法

显式算法非常适合解决柴油机动态响应求解时所遇到的机构运动大位移以及多零部件瞬态冲击问题，它由前一增量步向前推算动态行为，通过节点逐个求解而不必迭代，通过小时间增量来获得高精度求解。不仅能有效避免隐式算法求解复杂动力学问题时由于反复迭代造成的收敛困难、以及硬盘空间存储问题，而且此算法具有很好的并行加速比，有助于利用硬件环境的改善来提高所求解问题的计算规模和复杂程度。

１．１　显式算法基本方程

三维有限元体系的运动方程可表达为：

（１）

其中，

，

和

分别为体系节点的加速

度、速度和位移矢量，［Ｍ］为总体质量矩阵，［Ｋ］为总体刚度矩阵，［Ｃ］为总体阻尼矩阵，｛Ｐ｝为总体载荷矢量。

显式算法基于ｔｎ时刻及之前的信息来求解ｔｎ＋１时刻的位移

ｎ＋１

，结合位移Ｔａｙｌｏｒ表达式和中心差分法，

可分别得到速度和加速度的表达式为：

（２）

（３）

将公式（２）和（３）代入ｔｎ时刻的公式（１），可以得到下一时刻

ｎ＋１

的求解表达式：

（４）

在整个时域范围内，可由上述积分递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。１．２　多ＣＰＵ／核并行求解

ＡＢＡＱＵＳ显式并行算法可分为Ｄｏｍａｉｎ和Ｌｏｏｐ两种不同方式，通常来说基于ＭＰＩ的Ｄｏｍａｉｎ并行求解方式效率更高。如图１所示，采用并行处理模式进行大规模问题求解时，采用ＭＥＴＩＳ区域分解方法（Ｄｏｍａｉｎ　Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ，简称ＤＤＭ）来处理分析对象，即把整个模拟问题区域划分成很多相对小的求解子区域，　把每个子区域分配给不同的处理器核心分别进行求解，区域分解允许每个处理器核心独立于其他

处理单元来求解自己的那部分问题，而处理器及其核心相互之间通过交互机制进行数据交换，最后将每个子区域的解综合起来，得到整个模型区域的全局解。

图１ 并行求解的模型分区和ＣＰＵ布局

２．　应用实例

２．１　柴油机装配体有限元建模

真实的柴油机及其附属结构非常复杂，包含上千个零部件，需要进行合理和必要的建模和简化，本文主要针对柴油机内部运动件和主要固定件开展分析。

借助前处理软件，首先建立了包括曲轴、平衡块、连杆、活塞和机架等零部件在内的柴油机全三维详细有限元模型，在对柴油机各零部件进行网格划分时，需要对几何模型进行必要的结构特征简化，如局部过小倒角等。但是重要零部件如整体式曲轴保留了内部油孔油道等细部特征，以及曲柄臂与连杆轴（曲柄销）和主轴颈交接处的过渡圆角。然而，各零件非重要几何特征细节的保留不便于六面体单元的划分，因此本文通过局部网格加密（如曲轴油孔油道和轴颈过渡区域）、增加四面体单元数量（如仅曲轴就划分了２８万单元）并保证整体网格质量（如严格执行翘曲度、长宽比和扭曲度等检查）等手段以求进一步提高模型计算精度。

柴油机的零部件基本上可以分为固定件和运动件两大类，在本文模型中，机架、主轴承座和气缸套等为固定件，而曲轴组件、连杆组件和飞轮等为运动件，需要通过多种连接单元和仿真手段模拟了各零部件之间的机构连接关系和装配关系。对于本文所建柴油机计算模型而言，考虑到的零部件之间的主要装配关系包括：１）曲轴和连杆之间、曲轴与主轴承座（主轴瓦）、连杆和活塞之间均定义为圆柱副；２）曲轴与飞轮及齿轮之间定义为固定副；３）活塞和气缸套之间定义为平动副；４）气缸套与机架之