淺析核電設計領域中CAE仿真技術的應用

張婷婷

【摘要】 本文基于對CAE仿真分析方法與流程、CAE軟件結構與特性的相關研究，以及CAE軟件運行平臺的引入，闡述了在核電設計領域中高效運用CAE仿真技術、統一管理仿真分析過程中的軟硬件資源的有效的解決方案。

【關鍵詞】 CAE仿真技術 高性能計算 集群技術

一、引言

自1946年第一臺計算機問世至今，計算機技術歷經幾十年的飛速發展，早已與人類的生產生活密不可分。這其中，作為跨學科的CAE（Computer Aided Engineering） 數值模擬分析技術也得到了巨大發展，越來越多的工程領域運用CAE仿真技術對工程設計和應用問題進行仿真分析和計算，通過CAE仿真技術的使用可以幫助設計團隊驗證和優化設計思路、減少設計時間、節約設計成本，從而提升企業的競爭力。CAE仿真技術在核電設計領域，如核電廠抗震力學分析、核反應堆堆芯熱工水力分析、核電廠抗商用飛機撞擊能力分析等設計分析任務中也有著廣泛的應用。

二、CAE仿真分析方法與流程

CAE仿真技術是結合了計算機圖形、數據處理及管理、建模等技術的一種設計和分析的綜合技術，其特點是基于對象[1]，CAE仿真技術采用各類數值計算方法對二維、三維幾何體進行分析及計算。

在工程設計領域中通常需要在某個既定的范圍中，依據物理定律，聯立出能夠揭示物理量的變化所滿足的規律的微分方程，同時列出相應的邊界和邊界條件，而求解微分方程以確定物理量的變化規律則是工程仿真分析的目標。有限元法、有限差分法、有限體積法、邊界元法、無網格法等都被視為通用的仿真分析方法，而有限元法則是這些分析方法中最重要也是被使用的最為廣泛的一種[2]。有限元法主要是對結構進行有限元離散化，通過用有限個易于分析的單元將復雜的結構表示出來，同時各個單元之間的連接由有限元節點來實現，通過聯立方程組求解得到近似的數值解。

使用有限元法進行仿真分析問題的求解時，一般流程分為以下三個階段：前處理過程、有限元分析及后處理過程[3]。

前處理過程是指對仿真分析對象進行有限元網格剖分與處理，得到相關的節點參數和有限元分析載荷數據等，從而形成有限元分析模型；有限元分析過程包含了分析有限元模型、聯立與求解有限元方程、獲取有限元結果等；后處理過程是指根據仿真分析問題的實際要求對有限元分析的結果進行處理和加工，以圖形形式將其提交給用戶，用戶從而能夠直觀地了解和分析求解結果并判斷及驗證設計的合理性。

三、CAE軟件結構與特性

目前市場上較為通用的CAE仿真軟件，大多具有相似的軟件結構，以采用有限元法的仿真軟件為例，它所包含的軟件模塊有：前處理模塊、有限元分析模塊、后處理模塊、用戶界面模塊以及數據庫與數據管理系統。其中，前處理模塊用于進行三維實體或參數化建模、有限元網格的劃分和處理、為有限元節點自動編號并生成參數，最終得到有限元分析數據文件并支持導出。有限元分析模塊由各類有限元分析子系統（如靜態分析、動態分析、熱分析、震動分析、電磁分析等子系統）、有限單元庫、材料庫和解法庫所構成。有限單元庫所含單元類型的種類與材料庫所含材料特性的數量決定了軟件仿真分析能力的強弱；解法庫所含求解算法的多少則決定了軟件的計算效率和精度的高低。后處理模塊用于有限元分析結果的加工和檢查，如數據的平滑處理、檢驗、優化等。用戶界面模塊主要用于交互式圖形界面的實現，以及仿真分析數據的導入和導出等。仿真軟件的數據庫中包含有標準構建庫、標準規范庫、結構圖形庫、特性庫等。仿真軟件的數據管理系統通常會根據軟件特性選用面向對象型或是關系型數據庫管理系統。

在核電設計領域中較為常用的CAE仿真軟件可分為以下三類：顯式有限元分析軟件（EFEA）、隱式有限元分析軟件（IFEA）、計算流體動力學軟件（CFD）。顯式有限元分析軟件的代表有LS-DYNA、RADIOSS、PAM-CRASH等，顯式有限元分析大多是基于動力學方程，主要解決高度非線性問題，如碰撞、接觸、爆炸等。隱式有限元分析軟件的代表有ANSYS、ABAQUS、MSC NASTRAN等，隱式有限元分析大多是對每一個變化的物理量聯立方程迭代求解，主要用于解決電場、磁場、結構力學、固體力學等的仿真分析問題。計算流體動力學軟件的代表有STAR-CD、POWERFLOW、FLUENT等，計算流體動力學方法通常用于解決氣動聲學、空氣動力學等的仿真分析問題。

上述三類CAE仿真軟件大多都能夠進行并行計算，所用的并行方式卻有不同。隱式有限元分析軟件通常采用共享內存并行技術，如OpenMP或Pthreads；而顯式有限元分析軟件和計算流體動力學軟件一般采用分布式內存并行技術，如MPI?；贑AE仿真軟件所用的分析方法和并行技術的不同，它們的擴展性以及對于仿真分析過程中所需的計算資源的要求也有較大差異[4]。隱式有限元分析軟件的特點是無法跨節點并行計算、對內存及I/O要求較高、可擴展性較差，當CPU核數一般超過16核時，其應用性能將不再提升，適應于單機多核的運行環境；顯式有限元分析軟件和計算流體動力學軟件的特點是可擴展性較好、支持跨節點并行計算、對內存要求不高，適應于多主機集群的運行環境。

四、CAE軟件運行平臺

CAE仿真軟件對于應用性能和計算資源都有著嚴苛的要求，故引入高性能計算和集群技術以滿足在核電設計領域中不斷增長的仿真分析應用需求。

高性能計算（High Performance Computing）技術是指利用大量計算機資源對大規?？茖W問題進行的求解和計算。集群（Cluster）技術是高效的并行處理系統，它將個人計算機、工作站或服務器等獨立的節點通過網絡連接，使其協同工作，對外部用戶提供單一、集成的計算資源并供之使用。因而高性能計算集群（High Performance Computing Cluster）能夠對外提供強大的數據處理和計算能力，解決無法由單臺服務器完成的大規模的計算求解任務。

高性能計算集群的硬件構成一般包含五類節點（管理節點、控制節點、計算節點、用戶節點和存儲節點）和交換網絡 ，高性能計算集群的軟件構成一般包含操作系統、并行開發環境和開發庫、并行編譯環境和編譯器、集群作業調度系統等。

CAE仿真軟件運行在高性能計算集群中，通過集群內的管理及調度來完成計算資源的分配和仿真分析任務的執行，這將大幅縮短仿真分析計算所需的時間，大幅提高CAE仿真軟件的運行性能和效率。還能夠完成核電設計領域中多物理場的耦合仿真、多體耦合仿真等綜合性仿真分析任務，提升企業進行綜合仿真分析的能力。

五、結論

將CAE仿真軟件集成到高性能計算平臺中運行和使用，是實現核電設計企業對仿真分析過程中軟硬件資源的高效應用和管控的理想解決方案，能夠有效的提升企業仿真分析的工作效率，從而提升企業的核心競爭力。

參 考 文 獻

[1] 廉雙紅. 系統CAE的體系結構及應用技術研究[D]. 武漢：武漢科技大學，2009.

[2] 魯建霞，茍惠芳. 有限元法的基本思想與發展過程[J]. 機械管理開發，2009，24（2）：74-75.

[3] 崔俊芝. 計算機輔助工程_CAE_的現在和未來[J]. 計算機輔助設計與制造，2000，06：3-7.

[4] 魏雅江. CAE軟件運行平臺淺析[J]. 計算機光盤軟件與應用， 2015，02：41-42.