JSTAMP/NV中提升仿真計算效率的策略

羅序利等

摘要： 針對仿真計算速度已成為制約沖壓產品開發工程師和模具設計工程師工作效率提高的重要因素的問題，詳細介紹影響JSTAMP/NV仿真計算速度的重要因素，在滿足不同仿真需求的情況下推薦使用合適的仿真參數以合理利用計算資源；介紹JSTAMP/NV中一些特殊功能以進一步提升仿真計算速度.

關鍵詞： 金屬成型； 沖壓； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大規模并行處理

中圖分類號： TG386.4；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料沖壓數值模擬軟件已廣泛應用于產品設計和模具設計領域，在產品制造之前事先預測板料的成型性能為面向制造的設計提供成功保證.然而，板料沖壓是大撓度、大變形的復雜多體接觸力學問題，板料沖壓數值模擬涉及板料彈塑性變形的描述和計算、板料與模具間接觸力和摩擦力的計算、模具的幾何形狀和運動計算以及壓力機加載過程的模擬計算等，僅使用普通計算機計算，其仿真計算時間往往需要數小時之久，影響工程師的工作效率和設計思路的連貫性.當然，計算機的硬件配置和CPU核數對提升計算速度有明顯影響，除增配硬件設施外，JSTAMP/NV中的一些推薦設置和特殊功能也可以在滿足仿真需求的前提下節省計算資源、提升計算速度.

1影響仿真計算速度的因素

在計算資源一定的情況下，根據設計階段和仿真目的的不同，設置適當的仿真參數，合理利用計算資源，往往能夠減少計算時間并達到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中對一些影響計算速度的參數給出不同場合的推薦設置.

1.1坯料網格尺寸

在進行仿真計算之前，需要對板坯進行有限元網格離散化，也就是通常所說的劃分網格.坯料網格疏密程度是影響仿真計算速度的重要因素.網格劃分太密，計算速度就會變慢；網格劃分太粗，雖然仿真計算時間縮短，但是其精度也必然受到一定的影響.按照一般經驗，可以根據90°模具圓角半徑上的單元數量確定坯料網格的大小，見表1.有時，為了提高仿真精度，可以將網格劃分得比推薦值更細致，但坯料網格尺寸盡量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于該值，為保證仿真計算的精度，推薦使用實體單元進行模擬.

2提升計算速度的策略

JSTAMP/NV還提供一些特殊的功能，用于更好地解決計算時間較長的問題.

2.1自適應網格

網格自適應是指在板料成型模擬過程中，當坯料遇到比較劇烈的變形時可以自動將局部區域的網格進行細化處理，以提高這些部位計算的準確度.因為初始的沖壓板材通常比較平坦且形狀很簡單，在劃分網格時，若網格較粗，則可能引起較大誤差；但若采用細密的網格，則單元總數增加且單元尺寸減小，這將降低極限時的步長，增加計算機時.雖然有時可以通過在前處理中采用局部細分網格的方式節省機時，但由于板料大變形和在模具中的相對滑動，所以難以預測局部細分網格在初始狀態板料上的相對位置，而且局部細分網格在前處理時也有很大麻煩.自適應網格技術能很好地解決這一問題，并在時間與精度上巧妙地取得平衡，見圖2.

JSTAMP/NV在設定板材計算條件時可以勾選“使用自適應選項”（推薦自適應網格加密級數采用2～3級）.JSTAMP/NV的殼單元網格可以通過自適應的方式在保證計算精度不明顯下降的前提下極大減少計算時間，并且JSTAMP/NV還對自適應算法進行優化，在輸出結果文件時再次進行網格劃分，進一步減少求解器對硬盤讀取操作的時間，從而再一次提高計算速度.

2.2設置質量縮放倍率

虛擬時間步長用來控制最小時間步長，LSDYNA求解器根據坯料中最小網格單元設定最小計算時間步長，因此可以通過人為增加最小時間步長的方式加快計算速度.這種通過改變虛擬時間步長縮減計算時間的方式被稱為質量縮放.適當地增加時間步長可以在不對結果產生太大誤差的情況下有效地縮短模擬計算的時間，見圖3.

虛擬時間步長的取值可為正值和負值.若取正值，則不論單元最小時間步長是否小于虛擬時間步長，程序都將所有單元的時間步長統一設定為虛擬時間步長；若取負值，則程序只會將單元最小時間步長小于虛擬時間步長的那些單元修改為虛擬時間步長的值，其余單元仍使用原來的時間步長進行計算.

2.3部分計算功能

JSTAMP/NV的部分計算功能是指當模具的局部形狀發生更改時，可使用對應模具修改部分的板材網格進行計算，而無須重新計算全部板料，見圖4.

2.4計算參數匯集功能的使用

JSTAMP/NV的計算參數匯集功能可批量設定新追加工序或現有工序計算參數，見圖5.批量設定的計算參數從指定的文本文件（計算參數匯集文件）中讀入.用戶可以在工序流程面板新建某工序或右鍵選擇已存在的工序，在彈出的快捷菜單欄中選擇“計算參數匯集的使用”，該功能提供“快速”“標準”和“精確”等3種等級計算精度.根據仿真目的選擇對應的精度等級，如在成型預測中選擇粗算，在回彈、回彈補償和表面質量評估中則選擇精算.

2.5合適求解器的選擇

對稱多處理系統（Symmetric Multi Processing，SMP）在一臺計算機上匯集一組緊耦合處理器，各個處理器之間共享內存、子系統和總線結構，因此其最大特點就是共享所有資源.相對于非對稱多處理技術，SMP是應用十分廣泛的并行技術.在SMP中，系統資源被系統中所有處理器共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用的處理器上.2～4個處理器對于計算速度的提高較好，當大于8個處理器時計算速度的提高達到飽和.

大規模并行處理系統（Massive Parallel Processing，MPP）由許多松耦合的處理單元組成.要注意的是，這里指的是處理單元而不是處理器.每個處理單元內的處理器都有自己私有的資源，如總線、內存和硬盤等；每個處理單元內都有操作系統和管理數據庫的實例復本.這種計算方式將模型分成多個域（見圖6），每個處理器求解一個域，每個域的節點邊界交換信息.與SMP相比，MPP交換信息較少，可以配置大于64個以上的處理器.SMP和MPP求解器計算時間對比見圖7.

3結束語

在不增加計算機硬件配置的情況下，可以通過優化仿真參數在計算精度與計算時間之間尋求平衡，以在滿足仿真需求的基礎上合理利用計算資源，提升計算速度.同時，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以進一步縮減計算機時，提升仿真效率.

（編輯于杰）

摘要： 針對仿真計算速度已成為制約沖壓產品開發工程師和模具設計工程師工作效率提高的重要因素的問題，詳細介紹影響JSTAMP/NV仿真計算速度的重要因素，在滿足不同仿真需求的情況下推薦使用合適的仿真參數以合理利用計算資源；介紹JSTAMP/NV中一些特殊功能以進一步提升仿真計算速度.

關鍵詞： 金屬成型； 沖壓； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大規模并行處理

中圖分類號： TG386.4；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料沖壓數值模擬軟件已廣泛應用于產品設計和模具設計領域，在產品制造之前事先預測板料的成型性能為面向制造的設計提供成功保證.然而，板料沖壓是大撓度、大變形的復雜多體接觸力學問題，板料沖壓數值模擬涉及板料彈塑性變形的描述和計算、板料與模具間接觸力和摩擦力的計算、模具的幾何形狀和運動計算以及壓力機加載過程的模擬計算等，僅使用普通計算機計算，其仿真計算時間往往需要數小時之久，影響工程師的工作效率和設計思路的連貫性.當然，計算機的硬件配置和CPU核數對提升計算速度有明顯影響，除增配硬件設施外，JSTAMP/NV中的一些推薦設置和特殊功能也可以在滿足仿真需求的前提下節省計算資源、提升計算速度.

1影響仿真計算速度的因素

在計算資源一定的情況下，根據設計階段和仿真目的的不同，設置適當的仿真參數，合理利用計算資源，往往能夠減少計算時間并達到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中對一些影響計算速度的參數給出不同場合的推薦設置.

1.1坯料網格尺寸

在進行仿真計算之前，需要對板坯進行有限元網格離散化，也就是通常所說的劃分網格.坯料網格疏密程度是影響仿真計算速度的重要因素.網格劃分太密，計算速度就會變慢；網格劃分太粗，雖然仿真計算時間縮短，但是其精度也必然受到一定的影響.按照一般經驗，可以根據90°模具圓角半徑上的單元數量確定坯料網格的大小，見表1.有時，為了提高仿真精度，可以將網格劃分得比推薦值更細致，但坯料網格尺寸盡量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于該值，為保證仿真計算的精度，推薦使用實體單元進行模擬.

2提升計算速度的策略

JSTAMP/NV還提供一些特殊的功能，用于更好地解決計算時間較長的問題.

2.1自適應網格

網格自適應是指在板料成型模擬過程中，當坯料遇到比較劇烈的變形時可以自動將局部區域的網格進行細化處理，以提高這些部位計算的準確度.因為初始的沖壓板材通常比較平坦且形狀很簡單，在劃分網格時，若網格較粗，則可能引起較大誤差；但若采用細密的網格，則單元總數增加且單元尺寸減小，這將降低極限時的步長，增加計算機時.雖然有時可以通過在前處理中采用局部細分網格的方式節省機時，但由于板料大變形和在模具中的相對滑動，所以難以預測局部細分網格在初始狀態板料上的相對位置，而且局部細分網格在前處理時也有很大麻煩.自適應網格技術能很好地解決這一問題，并在時間與精度上巧妙地取得平衡，見圖2.

JSTAMP/NV在設定板材計算條件時可以勾選“使用自適應選項”（推薦自適應網格加密級數采用2～3級）.JSTAMP/NV的殼單元網格可以通過自適應的方式在保證計算精度不明顯下降的前提下極大減少計算時間，并且JSTAMP/NV還對自適應算法進行優化，在輸出結果文件時再次進行網格劃分，進一步減少求解器對硬盤讀取操作的時間，從而再一次提高計算速度.

2.2設置質量縮放倍率

虛擬時間步長用來控制最小時間步長，LSDYNA求解器根據坯料中最小網格單元設定最小計算時間步長，因此可以通過人為增加最小時間步長的方式加快計算速度.這種通過改變虛擬時間步長縮減計算時間的方式被稱為質量縮放.適當地增加時間步長可以在不對結果產生太大誤差的情況下有效地縮短模擬計算的時間，見圖3.

虛擬時間步長的取值可為正值和負值.若取正值，則不論單元最小時間步長是否小于虛擬時間步長，程序都將所有單元的時間步長統一設定為虛擬時間步長；若取負值，則程序只會將單元最小時間步長小于虛擬時間步長的那些單元修改為虛擬時間步長的值，其余單元仍使用原來的時間步長進行計算.

2.3部分計算功能

JSTAMP/NV的部分計算功能是指當模具的局部形狀發生更改時，可使用對應模具修改部分的板材網格進行計算，而無須重新計算全部板料，見圖4.

2.4計算參數匯集功能的使用

JSTAMP/NV的計算參數匯集功能可批量設定新追加工序或現有工序計算參數，見圖5.批量設定的計算參數從指定的文本文件（計算參數匯集文件）中讀入.用戶可以在工序流程面板新建某工序或右鍵選擇已存在的工序，在彈出的快捷菜單欄中選擇“計算參數匯集的使用”，該功能提供“快速”“標準”和“精確”等3種等級計算精度.根據仿真目的選擇對應的精度等級，如在成型預測中選擇粗算，在回彈、回彈補償和表面質量評估中則選擇精算.

2.5合適求解器的選擇

對稱多處理系統（Symmetric Multi Processing，SMP）在一臺計算機上匯集一組緊耦合處理器，各個處理器之間共享內存、子系統和總線結構，因此其最大特點就是共享所有資源.相對于非對稱多處理技術，SMP是應用十分廣泛的并行技術.在SMP中，系統資源被系統中所有處理器共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用的處理器上.2～4個處理器對于計算速度的提高較好，當大于8個處理器時計算速度的提高達到飽和.

大規模并行處理系統（Massive Parallel Processing，MPP）由許多松耦合的處理單元組成.要注意的是，這里指的是處理單元而不是處理器.每個處理單元內的處理器都有自己私有的資源，如總線、內存和硬盤等；每個處理單元內都有操作系統和管理數據庫的實例復本.這種計算方式將模型分成多個域（見圖6），每個處理器求解一個域，每個域的節點邊界交換信息.與SMP相比，MPP交換信息較少，可以配置大于64個以上的處理器.SMP和MPP求解器計算時間對比見圖7.

3結束語

在不增加計算機硬件配置的情況下，可以通過優化仿真參數在計算精度與計算時間之間尋求平衡，以在滿足仿真需求的基礎上合理利用計算資源，提升計算速度.同時，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以進一步縮減計算機時，提升仿真效率.

（編輯于杰）

摘要： 針對仿真計算速度已成為制約沖壓產品開發工程師和模具設計工程師工作效率提高的重要因素的問題，詳細介紹影響JSTAMP/NV仿真計算速度的重要因素，在滿足不同仿真需求的情況下推薦使用合適的仿真參數以合理利用計算資源；介紹JSTAMP/NV中一些特殊功能以進一步提升仿真計算速度.

關鍵詞： 金屬成型； 沖壓； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大規模并行處理

中圖分類號： TG386.4；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料沖壓數值模擬軟件已廣泛應用于產品設計和模具設計領域，在產品制造之前事先預測板料的成型性能為面向制造的設計提供成功保證.然而，板料沖壓是大撓度、大變形的復雜多體接觸力學問題，板料沖壓數值模擬涉及板料彈塑性變形的描述和計算、板料與模具間接觸力和摩擦力的計算、模具的幾何形狀和運動計算以及壓力機加載過程的模擬計算等，僅使用普通計算機計算，其仿真計算時間往往需要數小時之久，影響工程師的工作效率和設計思路的連貫性.當然，計算機的硬件配置和CPU核數對提升計算速度有明顯影響，除增配硬件設施外，JSTAMP/NV中的一些推薦設置和特殊功能也可以在滿足仿真需求的前提下節省計算資源、提升計算速度.

1影響仿真計算速度的因素

在計算資源一定的情況下，根據設計階段和仿真目的的不同，設置適當的仿真參數，合理利用計算資源，往往能夠減少計算時間并達到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中對一些影響計算速度的參數給出不同場合的推薦設置.

1.1坯料網格尺寸

在進行仿真計算之前，需要對板坯進行有限元網格離散化，也就是通常所說的劃分網格.坯料網格疏密程度是影響仿真計算速度的重要因素.網格劃分太密，計算速度就會變慢；網格劃分太粗，雖然仿真計算時間縮短，但是其精度也必然受到一定的影響.按照一般經驗，可以根據90°模具圓角半徑上的單元數量確定坯料網格的大小，見表1.有時，為了提高仿真精度，可以將網格劃分得比推薦值更細致，但坯料網格尺寸盡量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于該值，為保證仿真計算的精度，推薦使用實體單元進行模擬.

2提升計算速度的策略

JSTAMP/NV還提供一些特殊的功能，用于更好地解決計算時間較長的問題.

2.1自適應網格

網格自適應是指在板料成型模擬過程中，當坯料遇到比較劇烈的變形時可以自動將局部區域的網格進行細化處理，以提高這些部位計算的準確度.因為初始的沖壓板材通常比較平坦且形狀很簡單，在劃分網格時，若網格較粗，則可能引起較大誤差；但若采用細密的網格，則單元總數增加且單元尺寸減小，這將降低極限時的步長，增加計算機時.雖然有時可以通過在前處理中采用局部細分網格的方式節省機時，但由于板料大變形和在模具中的相對滑動，所以難以預測局部細分網格在初始狀態板料上的相對位置，而且局部細分網格在前處理時也有很大麻煩.自適應網格技術能很好地解決這一問題，并在時間與精度上巧妙地取得平衡，見圖2.

JSTAMP/NV在設定板材計算條件時可以勾選“使用自適應選項”（推薦自適應網格加密級數采用2～3級）.JSTAMP/NV的殼單元網格可以通過自適應的方式在保證計算精度不明顯下降的前提下極大減少計算時間，并且JSTAMP/NV還對自適應算法進行優化，在輸出結果文件時再次進行網格劃分，進一步減少求解器對硬盤讀取操作的時間，從而再一次提高計算速度.

2.2設置質量縮放倍率

虛擬時間步長用來控制最小時間步長，LSDYNA求解器根據坯料中最小網格單元設定最小計算時間步長，因此可以通過人為增加最小時間步長的方式加快計算速度.這種通過改變虛擬時間步長縮減計算時間的方式被稱為質量縮放.適當地增加時間步長可以在不對結果產生太大誤差的情況下有效地縮短模擬計算的時間，見圖3.

虛擬時間步長的取值可為正值和負值.若取正值，則不論單元最小時間步長是否小于虛擬時間步長，程序都將所有單元的時間步長統一設定為虛擬時間步長；若取負值，則程序只會將單元最小時間步長小于虛擬時間步長的那些單元修改為虛擬時間步長的值，其余單元仍使用原來的時間步長進行計算.

2.3部分計算功能

JSTAMP/NV的部分計算功能是指當模具的局部形狀發生更改時，可使用對應模具修改部分的板材網格進行計算，而無須重新計算全部板料，見圖4.

2.4計算參數匯集功能的使用

JSTAMP/NV的計算參數匯集功能可批量設定新追加工序或現有工序計算參數，見圖5.批量設定的計算參數從指定的文本文件（計算參數匯集文件）中讀入.用戶可以在工序流程面板新建某工序或右鍵選擇已存在的工序，在彈出的快捷菜單欄中選擇“計算參數匯集的使用”，該功能提供“快速”“標準”和“精確”等3種等級計算精度.根據仿真目的選擇對應的精度等級，如在成型預測中選擇粗算，在回彈、回彈補償和表面質量評估中則選擇精算.

2.5合適求解器的選擇

對稱多處理系統（Symmetric Multi Processing，SMP）在一臺計算機上匯集一組緊耦合處理器，各個處理器之間共享內存、子系統和總線結構，因此其最大特點就是共享所有資源.相對于非對稱多處理技術，SMP是應用十分廣泛的并行技術.在SMP中，系統資源被系統中所有處理器共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用的處理器上.2～4個處理器對于計算速度的提高較好，當大于8個處理器時計算速度的提高達到飽和.

大規模并行處理系統（Massive Parallel Processing，MPP）由許多松耦合的處理單元組成.要注意的是，這里指的是處理單元而不是處理器.每個處理單元內的處理器都有自己私有的資源，如總線、內存和硬盤等；每個處理單元內都有操作系統和管理數據庫的實例復本.這種計算方式將模型分成多個域（見圖6），每個處理器求解一個域，每個域的節點邊界交換信息.與SMP相比，MPP交換信息較少，可以配置大于64個以上的處理器.SMP和MPP求解器計算時間對比見圖7.

3結束語

在不增加計算機硬件配置的情況下，可以通過優化仿真參數在計算精度與計算時間之間尋求平衡，以在滿足仿真需求的基礎上合理利用計算資源，提升計算速度.同時，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以進一步縮減計算機時，提升仿真效率.

（編輯于杰）