基于PANDA平台的光机部件随机振动响应分析

基于PANDA自主并行计算平台，采用模态叠加法开展了多点基础激励作用下的随机振动响应分析算法设计和并行实现研究，构建了相应的并行求解模块。针对光机装置打靶样机中的六自由度平台结构，基于自主研发的软件模块，分析了该结构的模态特性及结构在地脉动载荷下的微振动响应，并与试验结果及商业软件分析结果进行了比对，在模态频率、振型和位移响应方面，都具有较好的一致性，验证了相关软件模块的正确性和PANDA平台在实际工程结构分析中的可用性。     

三维湍流Rayleigh-Bénard热对流的高效并行直接求解方法

高Ra数Rayleigh-Bénard热对流的湍流特性研究是当前国际上的一个热门研究课题, DNS模拟计算是研究该课题的重要手段之一. 当计算规模增大而网格数巨大时计算工作难以实现, 高Ra湍流热对流的数值模拟研究面临重大挑战. 本文创建了大规模高效并行计算的三维湍流热对流直接求解方法. 采用FFT变换解耦压力泊松方程, 将其变换成沿z方向上的块三对角方程组, 并利用块三对角方程的MPI与OpenMP联立的大规模高效并行近似解求解方案, 创建了可以高效并行计算的热对流直接求解方法. 通过对该方法并行效率的验证计算, 证明新的直接求解并行计算方法具有很好的并行效率和计算时效. 三维窄方腔热对流的计算结果表明, 本文方法计算的三维热对流特性是合理的. 本文创建的可大规模高效并行计算的三维湍流热对流直接求解方法, 也很可能是关于计算流体力学不可压NS方程大规模高效并行计算在特殊情况中计算技术上的一个突破.     

基于ANSYS的共振频率分析及实验研究

由共振法测量杨氏模量的实验思想,采用有限元分析软件ANSYS14.0对铜质细长棒进行了模态分析及谐响应分析,获得了前三阶振动模态的共振频率及振型;通过施加载荷后的谐响应曲线,获得前三阶共振峰,将数值仿真结果与理论求解及实验结果进行对比,结果是一致的。     

封装结构强电磁脉冲多物理效应并行计算程序研制

介绍了自主研发的强电磁脉冲多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-System的情况,该程序采用时域有限元方法,基于JAUMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡。通过算例测试表明,该程序对于键合线的电-热-应力失效过程的最高温度与范式等效应力计算结果与COMSOL软件计算结果吻合较好;SiP功率放大模块的热-应力耦合天河2高性能计算平台并行计算结果表明,该程序在CPU1024核时,具有38.1%并行效率。     

基于OpenMP的3维粒子模拟并行计算

基于OpenMP标准分别设计了粒子模拟方法中电磁场计算、粒子运动求解、电荷密度和电流密度更新的并行计算实现算法。在多核计算机上对所设计并行算法进行了性能测试和分析,根据分析结果在3维并行粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了基于OpenMP的并行计算功能,并应用其对一种扩展互作用振荡器进行了基于OpenMP的并行模拟和基于OpenMP/MPI混合模式的并行模拟。模拟结果表明并行算法正确并能取得较高的加速比。     

半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device设计与实现

针对复杂电磁环境下器件多物理效应机理研究需求,研发了半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device。介绍了JEMS-CDS-Device的架构设计与实现技术。程序基于非结构网格并行框架JAUMIN实现,采用有限体积法(FVM)离散,使用牛顿法全耦合求解"电-载流子输运-热"问题。程序采用"内核+算法库"形式架构,支持2维和3维非结构网格、千万自由度问题并行求解,支持物理方程、离散算法、材料物理模型等的扩展开发。     

湍流热对流的高效并行直接求解方法

结合泊松方程直接求解的PDD算法,创建二维湍流热对流DNS模拟的并行直接求解方法（PDM-DNS）.在"天河二号"超级计算机上完成高Ra数湍流热对流大规模DNS计算,计算效果令人惊喜,实现了一年前难以达到的计算规模.高分辨率的湍流热对流计算结果显示,不同高Ra数的湍流热对流流动状态完全不同.为高Ra数湍流热对流大规模并行计算和数值模拟研究提供了有价值的计算方法.     

并行计算环境中的高效气热耦合方法

气热耦合计算有助于高温透平叶片热流和温度分布的准确预估。在气热耦合计算中,流体区域和固体区域可能采用不同的网格形式和不同的求解器;此外,在大涡模拟等大规模计算中,流体区域和固体区域的耦合需要在并行环境中进行。因此,需要发展在不同求解区域支持不同的网格形式和求解器,并且适用于大规模并行计算环境的高效气热耦合方法。本文发展了并行计算环境中的高效气热耦合方法,其流体域和固体域之间的耦合通过高效的并行数据交换来实现,其对求解器类型和网格形式以及负载分配没有限制。数值算例验证了本文气热耦合方法在并行计筛环境中的高效性和灵活性。     

基于大规模并行计算的三维多群中子扩散方程有限差分方法

三维多群中子扩散方程的精确、高效求解是核动力堆芯设计及燃料管理的基础。应用有限差分方法求解该方程具有简便、精确、成熟的优点;然而,该方法的计算量和存储量均较大,极大地限制了它的计算规模和应用范围。本文基于大规模并行计算,研究三维多群中子扩散方程有限差分方法:采用中心有限差分格式离散中子扩散方程;基于MPI并行编程模型,采用空间区域分解的方式实现大规模并行计算;采用多群多区域耦合PGMRES算法进行并行加速。在集群服务器上开发了ParaFiDi程序,并采用IAEA3D,PHWR等多个基准题对该程序进行验证。数值结果表明,ParaFiDi程序具有较高的计算精度和计算效率。     

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜随机振动分析

介绍了基础激励下机构随机振动响应的理论与分析方法.利用有限元分析软件ANSYS建立了某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的有限元模型,并进行了随机振动响应分析.通过分析考察了其承受动力学环境的能力.对计算结果进行了分析.指出了现有结构中的薄弱环节,提出了改进方案,为摆镜的设计提供了重要参考依据.     

Calculating the forced response of two-dimensional homogeneous media using the wave and finite element method

The forced response of two-dimensional, infinite, homogenous media subjected to time harmonic loading is treated. The approach starts with the wave and the finite element (WFE) method where a small segment of a homogeneous medium is modelled using commercial or in-house finite element (FE) packages. The approach is equally applicable to periodic structures with a periodic cell being modelled. This relatively small model is then used, along with periodicity conditions, to formulate an eigenvalue problem whose solution yields the wave characteristics of the whole medium. The eigenvalue problem involves the excitation frequency and the wavenumbers (or propagation constants) in the two directions. The wave characteristics of the medium are then used to obtain the response of the medium to a convected harmonic pressure (CHP). Since the Fourier transform of a general two-dimensional excitation is a linear combination of CHPs, the response to a general excitation is a linear combination of the responses to CHPs. Thus, the response of a two-dimensional medium to a general excitation can be obtained by evaluating an inverse Fourier transform. This is a double integral, one of which is evaluated analytically using contour integration and the residue theorem. The other integral can be evaluated numerically. Hence, the approach presented herein enables the response of an infinite two-dimensional or periodic medium to an arbitrary load to be computed via (a) modelling a small segment of the medium using standard FE methods and post-processing its model to obtain the wave characteristics, (b) formulating the Fourier transform of the response to a general loading, and (c) computing the inverse of the Fourier transform semi-analytically via contour integration and the residue theorem, followed by a numerical integration to find the response at any point in the medium. Numerical examples are presented to illustrate the approach.     

强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现

以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景,从自由体模态分析入手,考虑脉动压力之间的强相关性,建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论,完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现,通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究。研究表明：飞行器再入过程的刚体运动对结构在低频段的响应影响显著,甚至起到主导作用,越靠近零频附近,这种影响越大;在中高频段,弹性响应逐渐占据主导地位。基于自主研发形成的随机振动分析模块可以较好地模拟飞行器再入过程脉动压力诱导的随机振动响应,具备超大规模并行计算能力。     

基于JASMIN三维势场快速多极子算法的并行实现

在JASMIN上,基于进程/线程两级并行实现策略,研制三维Laplace核函数FMM(fast multipole method)的解法器模块"JASMIN-3DLapFMM".该解法器已成功应用于三维静电场远场势的并行计算.固定单机问题规模,在上万个处理器核上运行百亿粒子的大规模问题,获得进程级几乎线性的并行可扩展性.固定总的问题规模和1024个进程,4个线程时,获得大约3倍的加速.     

ICT并行重建算法设计与实现

分析了三维ICT近似重建FDK快速算法以及算法串行执行与并行执行的复杂度,利用MPI并行编程环境,对原有ICT重建流程进行并行化,在PC集群上实现了并行ICT重建,进行了系统集成。给出了系统应用实现的解决方案与软件集成流程图。实验结果证明串行重建和并行重建结果是一致的,并行重建可以得到比较理想地重建时间结果和比较理想的加速比与效率。     

Study of broad bandwidth vibrational energy harvesting system with optimum thickness of PET substrate

In this paper, we present the development of a flexible PET-based (polyethylene terephthalate; PET) vibrational energy harvesting system with broad bandwidth. This broad bandwidth harvesting system comprises of four units of individual ZnO (zinc oxide) piezoelectric harvester in the form of a cantilever structure connected in parallel, and rectifying circuit with storage module. This system has ability to convert mechanical energy into electrical energy from the varying ambient vibration. The design and simulation of a piezoelectric cantilever plate was described by using commercial software ANSYS FEA (Finite Element Analysis) to determine the optimum thickness of PET substrate, internal stress distribution, operation frequency and electric potential. With the optimum thickness predicted by developed accurate analytical formula analysis, the one-way mechanical strain that is efficient to enhance the induced electric potential can be controlled within the piezoelectric ZnO layer. In addition, the relationship among the model solution of piezoelectric cantilever plate equation, vibration-induced electric potential and electric power was realized. An individual piezoelectric harvester consists of flexible PET substrate, piezoelectric ZnO thin film with (002) c-axis preferred orientation, and selectively deposited UV-curable resin lump structure which is used to change the resonant frequency of the harvester. In combination with multi-harvesters and rectifying with storage module together, an energy harvesting system with broad bandwidth can be fabricated. One individual harvester achieves a maximum OCV (open-circuit voltage) up to 4 V with power density of 1.247 μW/cm³. So far, we succeeded in accomplishing a broad bandwidth system with operating frequency range within 100 Hz-450 Hz to enhance powering efficiency. When the DC voltage (direct current voltage) across a storage module is charged up to 1.55 V after rectification, a flash LED (light emitting diode) is driven.     

基于Tahoe框架的某夹具并行计算

在开源软件Tahoe框架基础上,结合有限元前后处理程序MSC.Patran及Tecplot,对某复杂夹具进行建模.通过区域分解、编制接口和采用PHG中提供的PCG(preconditioned conjugate gradient,预处理共轭梯度法)迭代解法成功实现262×10⁴自由度模型的串、并行计算.结果表明,并行计算收敛速度更快,4进程并行计算时间不到串行计算时间的1/4.通过与商用程序MSC.Nastran比较,验证计算结果的正确性.利用大型并行计算机对该模型并行计算性能进行研究,获得最高32进程的并行计算加速比.研究表明,改进后的Tahoe计算框架对于开展大规模自由度下的结构并行计算分析研究是可行的,并且随计算节点增加,并行计算过程基本呈线性加速.     

大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域辐射近场的快速预估

将二维轴对称柱坐标系中基于MPI平台的并行FDTD （MPI-FDTD）方法与基于基尔霍夫表面积分表达式（KSIR）的场变换相结合，实现"MPI-FDTD+MPI-KSIR"的混合并行技术，并应用于无电阻加载的大型垂直极化电磁脉冲（EMP）辐射波模拟器时域辐射近场的快速预估.验证算例所得辐射近场不仅与商用软件及并行FDTD的整体模拟符合很好，且与并行FDTD整体模拟相比可以节约80%的计算时间.给出并行加速比和并行效率的测试结果.该方法可用于其它大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域辐射近场和辐射远场的快速预估.     

用于CBM-TOF超级模块质量评估的SoC数据读出方法

在高压缩重子物质（Compressed Baryonic Matter,CBM）实验中,多气隙电阻板室（Multi-gap Resistive Plate Chamber,MRPC）探测器被用于构建飞行时间（Time of Flight,TOF）谱仪。根据CBM实验需求,TOF谱仪被设计成由6种不同类型的超级模块构成的探测器墙。每个模块最多包含5块MRPC探测器,能提供320路电子学通道,单个模块的数据率高达6 Gbps。为了评估CBM-TOF超级模块的性能,本文提出了一种基于TCP/IP千兆以太网技术的数据读出方法。考虑到TCP/IP协议的复杂性,该方法利用AlteraSoC FPGA从前端电子学接受数字化的时间数据,并通过千兆以太网并行地发送数据到DAQ软件。实验室测试结果表明,单个读出扣板全链路读出速率达到550 Mbps,能够用于CBM-TOF MRPC探测器质量评估。     

基于JASMIN框架多物理耦合程序的性能优化及分析

基于并行应用支撑软件框架JASMIN的辐射流体与粒子输运耦合程序RHSn2D,采用最小邦元固定处理器数目的并行策略,计算实际模型的并行规模扩展至8192核,并行效率约为16%.集成程序时间分析,验证软件框架底层MPI并行环境聚合通信对于并行优化算法(尤其是辐射流体计算时间)的影响.