全机模型静强度分析的多区域并行计算

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1、第40卷第5期2010年9月航空计算技术AeronauticaJComputingTechnjqueV01．40No．5Sep．2010全机模型静强度分析的多区域并行计算丁玉波，陈秀华，汪海(上海交通大学航空航天学院，上海200240)摘要：在windowsxP64位操作系统环境下，利用若干普通PC机搭建了机群系统．实现了分布内存式并行(DMP)计算。采用3节点和4节点薄壳单元和2节点梁单元建立了约260万自由度(DOF)的全机有限元模型。采用封装的METIs区域分解方法(DDM)，并利用大型通用有限元软

2、件MsC．Marc，实现了全机静强度模型的并行求解，为大型复杂有限元模型的求解提供了一种高性价比的解决方案。关键词：全机模型；静强度；区域分解；并行计算中图分类号：m91；V215文献标识码：A文章编号：1671．654X(20lO)05．0067．03引言在现代飞机设计中，有限元计算已经成为广大飞机设计人员日常工作的一部分。在实际的飞机设计中经常会遇到一些大型有限元模型，这些模型动辄几百万自由度，再加上载荷边界条件的非线性，使得计算规模远远超出了单个普通PC的求解能力。全机有限元模型是在飞机总体强度分析

3、中建立的一种模型，一般单元和节点数较多，串行求解十分困难，甚至是不可能的，于是并行求解就成为必然趋势。基于区域分解的并行有限元方法是当前并行计算领域最活跃的研究和应用领域之一。目前在岩土力学¨’2J，计算流体力学(cFD)阳1等学科领域中国内学者有广泛应用，但是在以板壳和梁组合结构为主的大型航空结构强度分析中的应用却很罕见。本文认为原因主要有两个方面：一方面，国内学者对于区域分解算法的研究不够深入，能够实现任意大型复杂有限元网格区域分解的有效方法不多；另一方面，国内学者的研究大部分停留在理论阶段，软件实现

4、很少，且一般功能有限。本文正是基于这样的考虑，并结合飞机设计中结构强度分析具体应用来进行研究的。1PC机群系统简介本文的研究工作是建立在PC机群系统上进行的，所搭建机群系统的体系结构如图1所示H】。它由1个主结点和若干从结点构成，结点间通过以太网连接。主结点用于计算任务的启动和提交，主结点和从结点都作为计算结点，整个机群系统具有分布内存和分布存储能力，大大提升计算能力。10一100MP以太网图lPC机群系统的体系结构根据全机有限元模型的规模和计算复杂度最终选择1个主结点和6个从结点来搭建机群系统，各个结点

5、的配置完全一致，表1列出了其软硬件规格。表1计算平台的软硬件规格计算平台PC机群系统处理器个数处理器类型主频主存容量磁盘容量执行程序操作系统运行环境网络环境7IntelCo砣双核E74002．8GHz4G160GMSC．Marc2005r2WindowsXP64bitMP—MPICH1．2．OlO一100MbpsEthemet收稿日期：2010—04．13修订日期：2010—cr7．22作者简介：丁玉波(1983一)，男，内蒙古通辽人，硕士，研究方向为并行有限元计算技术，飞机结构强度分析。·68·航空计算

6、技术第40卷第5期2全机模型静强度分析的并行求解2．1全机静强度模型简介本文根据飞机的实际结构建立的全机有限元模型如图2所示，其中包括463532个单元(内含3节点和4节点薄壳单元418220个和2节点梁单元45312个)和437501个节点(约260万个自由度)。模型的载荷边界条件定义为：中机身下方有四处固支，机翼和水平尾翼翼尖作用均布载荷，机身上部作用若干集中载荷，且载荷均为非线性加载。因为模型的规模和复杂性远超出了单个普通PC机的求解能力，所以本文采用基于区域分解的并行有限元方法进行求解。围2全机有

7、限元模型于工程技术领域。一般而言，判别区域分解方法优劣的指标口。1为：1)各个子域的自由度数基本相同即所谓负载均衡；2)各个子域交界面上的节点数最少。MEl'IS区域分解方法在一定程度上实现了以上两个指标的优化，即它可以实现多种分解结果，然后从中选择一个最优的用于并行计算。本文按照MEnS的多级分割算法实现了全机模型的区域最优分解，共分为7个子域，分解前后的外部的壳单元及内部的梁单元网格分别如图4—7所示。图4分解前壳单元网格2．2基于区域分解并行有限元基于区域分解的并行有限元方法是一种粗粒度的并行方法H

8、J，其基本思想是“分而治之”，即把一个大的有限元网格分解为若干小的子域，分别分配到不同的处理器上，每个处理器负责本子域的有限元计算，只7图5分解后壳单元网格在区域公共部分进行通讯和交换数据信息，各个处理器的计算同时并发地进行，最后再将各个处理器上的计算结果汇总整理，得到整个模型的计算结果。基于区域分解的并行有限元的计算流程如图3所示MJ。区圜因函囟凰陌限元求解H有限元求解H有限元求矧■●■●-____I______。⋯、●，区