有限元分析軟件ANSYS計(jì)算速度探究

張瀚文 司永宏

摘要：隨著計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)地不斷進(jìn)步，在實(shí)際工程實(shí)踐中越來越多的領(lǐng)域都應(yīng)用到有限元分析軟件，ANSYS作為有限元分析軟件的代表，在解決技術(shù)問題中有著廣泛的應(yīng)用;在利用ANSYS WORKBENCH模擬纏繞式氣瓶工作狀態(tài)時(shí)，工作站分別采用了機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤、內(nèi)存作為模擬文件的存儲介質(zhì)對同類模擬文件進(jìn)行計(jì)算并對比其計(jì)算速度、硬盤最高占用率;同時(shí)分析對比了調(diào)用不同中央處理器核數(shù)對計(jì)算速度影響，并給出工作站資源調(diào)配優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：有限元分析;纏繞式氣瓶;硬盤;內(nèi)存;CPU

Abstract： With the continuous advancement of computer simulation technology， more and more fields are applied to finite element analysis software in practical engineering practice. As a representative of finite element analysis software， ANSYS has a wide range of applications in solving technical problems; using ANSYS WORKBENCH simulates the working state of a spiral cylinder， the workstation uses mechanical hard disks， solid state drives， and memory as storage media for analog files to calculate and compare the calculation speed of similar simulation files; at the same time， it analyzes and compares the number of cores that call different central processors. Influence on the calculation speed.And give the optimization plan of workstation resource allocation.

Key words： finite element analysis; wrapped gas cylinder; hard disk; memory;CPU

1 引言

有限元模擬仿真技術(shù)作為科學(xué)研究的重要手段對解決科學(xué)技術(shù)問題有著舉足輕重的作用[1]，ANSYS為是世界范圍內(nèi)影響廣泛的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-7]。同濟(jì)大學(xué)楊楠研究了 ANSYS中的非線性收斂與網(wǎng)格精度、邊界條件、整體運(yùn)算時(shí)間和載荷步等一系列因素關(guān)系問題[8]。

利用ANSYS計(jì)算工程問題，往往會花費(fèi)很多時(shí)間，研究不同存儲介質(zhì)、不同中央處理器核數(shù)對ANSYS計(jì)算時(shí)間的影響有利于優(yōu)化調(diào)配硬件以供有限元分析軟件運(yùn)行，為有效縮短模擬分析時(shí)間提供了思路。

2 計(jì)算模型

氣瓶三維透視圖如圖1所示;該氣瓶封頭內(nèi)外表面為不同心圓弧，對氣瓶采用T1000碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行全纏繞自緊，其纏繞厚度為6.71mm，氣瓶瓶塞厚度為16mm。

本模型旨在研究不同自緊壓力與內(nèi)部壓力對材料應(yīng)力強(qiáng)度分布的影響，進(jìn)而根據(jù)材料應(yīng)力強(qiáng)度情況判斷設(shè)備安全狀態(tài)，最后達(dá)到確定合理自緊壓力與內(nèi)部壓力的目的。

3 計(jì)算時(shí)間與不同存儲介質(zhì)的關(guān)系

利用第2節(jié)所述模型在如表1配置、操作系統(tǒng)為WIN10的工作站中運(yùn)算。分為2組運(yùn)算試驗(yàn)包括線性網(wǎng)格與非線性網(wǎng)格計(jì)算文件存儲在機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤、利用內(nèi)存虛擬出的硬盤中進(jìn)行運(yùn)算。

3.1 線性網(wǎng)格計(jì)算文件在不同存儲介質(zhì)的計(jì)算速度對比

本組運(yùn)算的模擬計(jì)算文件分別在機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤、利用內(nèi)存虛擬出的硬盤中存儲讀寫運(yùn)算，其網(wǎng)格為線性網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為190874個(gè)，調(diào)用CPU核數(shù)為22枚，運(yùn)算時(shí)間、最高占用率如表2所示。

由表2所得，內(nèi)存虛擬硬盤速度略比固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤運(yùn)算時(shí)間短，而機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤運(yùn)算時(shí)間幾乎相同。

3.2 非線性網(wǎng)格計(jì)算文件在不同存儲介質(zhì)的計(jì)算速度對比

本組運(yùn)算的模擬計(jì)算文件分別在機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤、利用內(nèi)存虛擬出的硬盤中存儲讀寫運(yùn)算，將上一組計(jì)算文件中線性網(wǎng)格設(shè)置為非線性網(wǎng)格時(shí)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)自動(dòng)變化為822579個(gè)，調(diào)用CPU核數(shù)為22枚，運(yùn)算時(shí)間、最高占用率如表3所示。

通過上表可發(fā)現(xiàn)計(jì)算文件利用內(nèi)存虛擬硬盤作為存儲介質(zhì)時(shí)，其計(jì)算時(shí)間比存儲在固態(tài)硬盤要快近35%，比存儲在機(jī)械硬盤快約47%。

3.3 結(jié)果分析

通過上述試驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)總體計(jì)算時(shí)間較短時(shí)，由于主要依靠存儲介質(zhì)讀寫速度決定運(yùn)算速度的計(jì)算步占用整體計(jì)算時(shí)間比例不大，因此內(nèi)存虛擬硬盤節(jié)約的時(shí)間并不明顯;當(dāng)當(dāng)總體計(jì)算時(shí)間較長時(shí)，由于主要依靠存儲介質(zhì)讀寫速度決定運(yùn)算速度的計(jì)算步占用整體計(jì)算時(shí)間比例提高，內(nèi)存虛擬硬盤節(jié)約運(yùn)算時(shí)間效果提高。

4 計(jì)算時(shí)間與計(jì)算文件調(diào)用CPU核數(shù)關(guān)系

利用第2節(jié)所述模型，網(wǎng)格采用線性網(wǎng)格，分別調(diào)用CPU18核、14核、10核、6核、2核、1核對其進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算文件運(yùn)算時(shí)間與核數(shù)之間關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，在前文所述計(jì)算條件下，隨著調(diào)用CPU核數(shù)的增加，所需運(yùn)算時(shí)間越來越短，但縮短的比例越來越小。調(diào)用CPU核數(shù)達(dá)到10核時(shí)，核數(shù)的增加沒有明顯的縮短運(yùn)算時(shí)間。

5 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)結(jié)果得出利用內(nèi)存虛擬硬盤技術(shù)可以提高ANSYS在計(jì)算機(jī)中的總體運(yùn)行速度，在網(wǎng)格為非線性、運(yùn)算規(guī)模較大時(shí)速度提升效果較為明顯。

在利用ANSYS進(jìn)行多組模擬試驗(yàn)時(shí)，可利用內(nèi)存虛擬硬盤技術(shù)虛擬出多個(gè)硬盤作為計(jì)算文件存儲介質(zhì)，避免實(shí)體硬盤因磁盤占用率過高影響總體計(jì)算速度。

探究出針對本運(yùn)算環(huán)境下較為高效的調(diào)用CPU核數(shù)，對工作站的使用配置提供了思路。

綜上所述，工作站資源調(diào)配優(yōu)化方案為：在計(jì)算線性網(wǎng)格模型時(shí)，表1所述工作站可利用虛擬硬盤技術(shù)裝載出2個(gè)30G硬盤，將計(jì)算文件分別存儲在機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤、2個(gè)內(nèi)存虛擬硬盤共4個(gè)存儲介質(zhì)上，4個(gè)計(jì)算文件調(diào)配CPU核數(shù)都設(shè)置為6枚，4個(gè)人計(jì)算文件同時(shí)運(yùn)行計(jì)算，經(jīng)試驗(yàn)，四個(gè)計(jì)算文件同時(shí)運(yùn)行11m45s后，四個(gè)計(jì)算文件都完成運(yùn)算，比單一計(jì)算文件每次調(diào)用全部CPU內(nèi)核計(jì)算4次快12m13s;當(dāng)計(jì)算機(jī)處于較長時(shí)間無人干預(yù)時(shí)可采用多利用內(nèi)存虛擬硬盤、每個(gè)計(jì)算文件降低CPU調(diào)用核數(shù)以達(dá)到多個(gè)計(jì)算文件同時(shí)計(jì)算的目的。

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【通聯(lián)編輯：梁書】