解决专业方案汽车工业CAE解决专业方案.doc

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汽车工业CAE处理方案
摘 要：本文介绍了CAE在汽车工业中关键作用和地位，同时对汽车研究设计具体内容和相关CAE软件对应关系进行了具体分析。针对现在多个经典应用需求，本文给出了曙光对应处理方案，并列举了之前部分成功案例供参考。
关键词：CAE、汽车、高性能计算
1. CAE介绍
CAE（Computer Aided Engineering）即计算机辅助工程，广义CAE应该包含计算机辅助于工程和产品研发全部方面，不过传统CAE关键指用计算机对工程和产品功效、性能和安全可靠性进行计算分析；进而扩充到对未来产品工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发觉设计缺点，改善和优化设计方案，证实未来工程和产品可用性和可靠性；并对工程施工过程和产品加工、成型过程进行模拟仿真，优化工艺步骤，提升工程或产品质量和生产效率。
CAE起源于20世纪50年代中期。实用CAE软件诞生于20世纪70年代早期。从1970年到1985年间，是CAE软件功效和算法扩充和完善期，到了20世纪80年代中期，国际上逐步形成了数十个商品化通用和专用CAE软件。
CAE是工程科学家进行科学和技术研究三大手段之一，能够帮助科学家揭示用物质试验手段尚不能揭示或极难揭示科学奥秘和科学规律；同时也是支持工程师进行创新设计最关键工具和手段，其应用领域越来越大，已广泛应用于航空航天、汽车、土木、机械、材料分析等很多领域，成为结构性能分析和仿真一个很有效手段，也是现代设计方法中一个关键领域。
2. 汽车工业和CAE
汽车工业代表着一个国家制造业发展水平，它不仅是带动面最广泛工业，而且是高新技术最大载体，通常航空、航天领域高精尖技术只有经过汽车工业才能转化为规模产业，所以汽车工业是或曾是几乎全部发达国家支柱产业。作为制造业中坚，汽车工业一直是CAE应用先锋。CAE技术应用，有效地推进了汽车制造业前进；汽车业需求也极大地带动了CAE。多年来，汽车业选型趋向一直是CAE技术发展晴雨表，也是业内人士关注焦点。
在汽车产品研发过程中，CAE已经成为设计链中必需条件，没有CAE分析设计就不能进入下一个技术步骤。新产品开包含到疲惫、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段处理，这么就能够大幅度提升设计质量，缩短产品开发周期，节省大量开发费用。
2.1. 汽车工业CAE应用分类
CAE分析贯穿了汽车开发全过程，小到螺栓预紧力分析，大到整车碰撞模拟和整车NVH（噪声、振动和声振粗糙度）分析，CAE分析全部发挥了无可替换优势和作用。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面。概括起来，现在汽车开发过程中CAE分析关键包含：
1. 结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计。汽车结构有限元分析应用表现于： 一是在汽车设计中对全部结构件、关键机械零部件刚度、强度和稳定性进行分析； 二是在汽车计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析工具； 三是在汽车结构分析中普遍采取有限元法来进行各构件模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件振动模态，深入计算出各构件动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构动态设计了提供方便。
2. 噪声、振动和不平顺性(NVH)分析。有限元法除了广泛应用于汽车结构分析外，还可应用于车身内声学设计，经过车身内声模态和整机模态耦合，评价乘员感受噪声，并进行噪声控制。
3. 疲惫寿命和可靠性分析。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，要求汽车在设计使用期内整车和零部件完好，不产生疲惫破坏； 而达成使用期后，零部件尽可能多地达成损伤。以求产品轻量化，节省材料和节省能源。
4. 碰撞和安全性分析。汽车模拟碰撞分析目标就是为了提升汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能要求，一是在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓解冲击； 二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员保护功效，以确保乘员安全并在碰撞后轻易进行车外救助和脱险。
5. 气动或流场分析。伴随计算机技术飞速发展， 应用计算流体力学(CFD)方法来估计汽车车身外部流场已成为可能。CFD 在汽车领域中绝大部分应用全部集中于进行汽车外流场数值模拟。在内燃机设计和开发中，CFD 已经被作为一个关键而有效工具加以利用。
6. 汽车可操纵性分析。车辆可操纵性分析是指利用整车多体动力学模型，在驾驶人员采取不一样驾驶方法情况下，对车辆侧倾稳定性进行仿真研究，还能够估计车辆在多种极限条件下性能。
7. 整车性能分析评价和估计。从整体角度对汽车多种性能进行分析和估计，包含汽车空气动力学特征、声学特征、振动特征、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞安全性等。
2.2. 汽车工业常见CAE软件
现在，中国汽车工业进行CAE分析以使用国外成熟商业软件为主，也有少许自编程软件。常见CAE软件以下：
l 前后处理Hyperworks， Patran
l 碰撞分析LS－Dyna，Pam－Crash、Radioss
l 机械动力学仿真Adams
l 非线性分析Ansys，Abaqus，Marc
l 疲惫分析Fatigue
l 流体分析Fluent ，Star-cd，AVL-Fire
l 锻压过程仿真SuperForge
l 汽车内噪音估计分析Akusmod
l 多学科智能优化iSight
l 汽车自动化建模SOFY
l 发动机热力学分析GT-Power
l 整车性能分析GT-Drive
l ……
3. 曙光汽车CAE处理方案
因为受到计算机硬件价格和技术制约，早期汽车CAE软件大多运行在工作站甚至是配置较高个人PC机上。然而，伴随汽车设计对CAE计算精度要求日益提升，CAE计算规模和复杂程度快速增加，个人PC机早已不能满足应用需求，现在大部分汽车CAE软件全部在高性能服务器上进行。针对不一样汽车CAE软件和不一样计算规模，曙光企业给出了以下多个经典方案供用户参考：
3.1. 方案一
l 个人工作站

节点型号
A440r-F（1台）

基础配置
CPU：2*AMD Opteron
内存：8~16G
硬盘：4*SATA (Raid 0)
OS：Windows XP 64bit
专业图卡：Nvidia Qudro FX 1500-5500（256MB-1GB）
适用范围
小规模汽车CAE模拟
适用软件
Hyperworks、Patran、Fluent、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss等

3.2. 方案二
l 工作组服务器－SMP

节点型号
A950r-F（1台）

基础配置
CPU：8*AMD Opteron 8000
内存：32~64G
硬盘：4*SCSI/SAS (Raid 0)
OS：RedHat / SuSe / WCCS
适用范围
隐式结构分析软件中、大规模计算
适用软件
Ansys、Abaqus、Marc、Nastran等

3.3. 方案三
l 工作组服务器-Cluster

节点型号
A950r-F(1台)+820r-F(4台)

＋

l
l
l

基础配置

A950r-F：
CPU：8*AMD Opteron 8000
内存：32~64G
硬盘：4*SCSI/SAS (Raid 0)

A820r-F：
CPU： 4*AMD Opteron 8000
内存：16~32G
硬盘：1*SCSI

OS：RedHat / SuSe / WCCS
网络：GigaE / Infiniband
适用范围
隐式结构分析软件超大规模计算
适用软件
Ansys、Abaqus、Marc、Nastran等
说明
主节点（A950）特殊性：
除了参与计算外，还负责读入数据、分配计算单元、控制计算步骤和搜集计算结果

3.4. 方案四
l 工作组服务器-Blade

节点型号
TC2600(1～4台)

基础配置
CPU：2*AMD Opteron
内存：4~8G（主节点内存加倍）
硬盘：1*SAS
OS：RedHat / SuSe / WCCS
网络：GigaE / Infiniband
适用范围

CFD软件和显示结构分析软件中小规模（1台）、大规模（2～2台）和超大规模（2～4台）计算
适用软件
Fluent、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss等
4. 曙光服务器在汽车行业CAE应用案例
4.1. 案例一
用户单位
长春一汽
服务器配置
4台R4380A，用千兆以太网连接，每台R4380A配置四路双核CPU，整套服务器累计32CPU
实施日期
9月
使用情况
用户使用FORTRAN编译器ABSOFT 9.0(STARCD版)、商业Fluent软件和STAR-CD软件，模拟汽车行驶过程中车体所受风载和发动机内部复杂流场。多个月使用结果表明以上软件在曙光机群上运行稳定，且含有较高计算效率，大量计算结果为汽车设计提供了强有力理论支持，大大缩短了设计周期，节省了研发经费。

4.2. 案例二
用户单位
清华大学汽车系
服务器配置
8台双路AMD Opteron节点机集群；
实施日期

使用情况
用户使用商业Fire、Fluent、STAR-CD软件， 对汽车外流场和发动机内流场进行模拟。三年多使用结果表明，曙光机群对上述软件并行能够很好支持，且含有较高并行效率。尤其是全流场模拟和精细网格流场模拟，这类在以前计算机硬件条件下根本无法实施大规模计算，在曙光机群上能够顺利完成。

4.3. 案例三
用户单位
上海超级计算机中心
服务器配置
512台R4280节点机集群，myrinet高速计算网，每个节点4路单核AMD CPU，整个机群共2048颗CPU
实施日期

使用情况
上海大众等中国多个汽车研究机构在上海超级计算中心机型汽车CAE辅助设计，运行软件包含Fluent、StarCD、LS-Dyna和PamCrash等

5. 相关编纂人员介绍
² 龚道童：
n 所学专业：流体力学
n 工作部门：曙光企业技术支持部处理方案中心
n 工作方向：售前技术咨询，售前方案制作和展现，性能测试
² 曹连雨
n 所学专业：热物理和流体力学
n 所在单位：曙光企业技术支持部处理方案中心
n 工作方向：流体力学、财政软件等相关技术售前支持工作
² 戴荣
n 所学专业：水工结构
n 所在单位：曙光企业技术支持部处理方案中心
n 工作方向：曙光企业高性能集群产品技术咨询、方案制作
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