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模拟仿真与数字制造服务平台

时间:[2017-12-29]  来源:

当前,信息技术正在与制造业加速融合,数字化、网络化、智能化已经成为全球制造业发展的重要方向与抢占经济制高点的重要抓手。作为一种可持续发展的制造模式,智能制造可以减少制造过程中对资源与能源的消耗,提高生产效率与质量,改善用户体验,已经成为现代制造业的重要发展方向之一。随着数字化制造技术的迅猛发展,以产品设计、制造、服务智能化为特点,融合传感技术、自动化技术、信息网络技术、人工智能的智能制造技术也有了长足发展。其中,高性能计算作为数字化制造技术的关键基础框架,已渗透到基础与应用研究、工业发展以及社会生活的各个方面。

在数值仿真与计算模拟中,计算方法与数学模型是两个单独的过程,数学建模和计算方法可以进行千变万化的搭配以达到预期的研究目的。随着计算机的高速发展,计算方法及技术与不同数学模型的适应性推进取得了巨大的成功。以经典牛顿力学为基础的连续介质力学模型是目前发展最充分的数学模型,也是目前应用最广的数学模型,普遍应用于流体、固体力学计算领域,其与有限差分法、有限元法和有限体积方法等的结合已经应用在工程中的各个领域。然而,“连续性假设”并不能反映某些微观现象,尤其当微观尺度运动起主导作用时,“连续性假设”将不能合理解释某些物理现象。以量子力学为基础来建立这些问题的数学模型可以很好地解决上述问题,但其计算量巨大,目前不适合工程实际应用。

多尺度高性能计算包括多尺度物理模型和与之匹配的多尺度计算方法,通过对不同尺度层次应用不同物理规律,建立数学模型并提供有效的计算方法,能够在准确描述相关物理机制的基础上最大限度地节省计算资源。在食品、化妆品、材料等加工过程研究中,涉及溶液的宏观流体动力学、分子间的相互作用和高分子链之间的相互缠结等多尺度问题。通过选择不同数学模型(连续介质力学模型、多相粘弹动力学模型、微观粒子模型和爱德华兹大分子自洽场理论等)和计算方法(有限差分法、有限元法、有限体积法、格子玻尔兹曼法和平滑颗粒动力学法等)对制造业中的相关现象进行系统的研究,以期达到对相关物理机制的系统认识与应用。

一、模拟仿真平台框架

1.1 量子力学计算

基于量子力学的模拟可通过近似求解薛定谔方程,精确预测分子以及周期性结构的电学、热学、电磁学、光学以及化学性质。通过量子化学计算,能帮助我们了解瞬息之间发生的化学反应,预测某些激发态和过渡态的几何结构,呈现生物大分子中某一活性位的电荷转移。基于量子力学的模拟已成为新型材料研发、药物分子设计的强力工具。

量子化学原则上可以告诉我们几乎所有的材料信息,主要包括:

  • 分子、晶体和表面/界面的结构信息

  • 结晶或成核

  • 态密度和能带

  • 化学性质和化学反应过程

1.2 粒子模拟

使用全原子或者粗粒化粒子模型,通过分子动力学、蒙特卡罗、耗散粒子动力学等模拟手段,从微观的分子尺度研究复杂材料加工过程中的分子运动、排列、聚集、组装等行为,可以帮助理解材料加工过程中,一些宏观或介观结构形成的微观机理,从而为可控地获得某些特定结构和功能的材料提供理论指导。

1.3 介观场基模拟

该平台主要提供基于(自洽)平均场理论、(经典)密度泛函理论、以及粒子-场耦合模型的计算模拟方法,它们不仅可以用来研究软物质体系的热力学平衡态性质(如非均相体系的平衡态相图计算等),并且通过联合动力学方程,亦可以研究软物质材料的结构生成动力学等非平衡态行为。此外,自洽场理论与高分子的管子模型耦合的方法将可以用来考察非均相缠结高分子体系的黏弹行为及其相分离动力学等。

1.4 连续介质计算力学

连续介质力学是研究物质宏观力学性状的分支学科。连续介质力学的最基本假设是“连续介质假设”:即认为真实流体或固体所占有的空间可以近似地看作连续地无空隙地充满着“质点”,质点所具有的宏观物理量(如质量、速度、压力、温度等)满足一切应该遵循的物理定律。这一假设忽略物质的具体微观结构,因此连续介质力学不能表述物质的微观力学性状。连续介质力学是目前流体和固体力学性状研究中最普遍采用的数学模型,且与常用的有限元、有限体积、有限差分等离散方法的联合应用已深入工程领域的各个方面。

计算流体力学作为高性能计算的一个重要应用领域,由于具有成本低,适用范围广等优点,在汽车制造、航空航天、石油化工、流体机械、能源动力、建筑环境、生物科技、气象科学、海洋工程、农业灌溉、军事科学等诸多工程技术领域都有广泛应用。

然而,我国长期以来更为重视具有显示度的高性能计算机硬件研制,导致国内的自主数值模拟与仿真软件匮乏,大多数研究基于Fluent、CFX等国际商用软件展开,收费昂贵且并行效率与模拟精度被国外开发商严格限制,相关研究长期受制于人,并未彻底形成支撑CFD全方位原创性研究的能力。

研究院聚集数字化仿真与设计平台联合并行计算、数值计算和流体力学等专家,紧扣高阶数值计算主线,借鉴国际开源软件架构,设计能够同时支持多种数值离散方法的框架体系结构,为各类用户提供可扩展的便捷开发接口;基于框架突破网格阶次适配、高阶探测器限制器、通用数值求解库、高效矩阵组织存储、稀疏线性方程组求解、并行计算可扩展优化等关键技术,研究高效的高阶数值计算方法和CFD并行计算方法;将框架及相关方法进行典型案例验证与新领域应用推广,研发一款高阶并行可扩展的CFD应用开发框架软件,并将其在国际上开源发布,将在一定程度上缓解我国CFD原创性研究长期受制于人的问题,也为我国类似软件研发提供借鉴。


研究院围绕高性能计算软硬发展不平衡问题,聚焦高阶数值计算技术路线,对CFD跨学科交叉研究所亟需的高效并行应用开发框架展开研究。Exercise小组基于开源软件模式,走国际开放合作的道路,在国际学术界和产业界普遍认可的开源软件(OpenFOAM、paraFEM、Deal ii等)的基础上,,设计实现全新的高阶并行可扩展CFD应用开发框架,致力于研发一款名为HopeFOAM的高阶计算力学软件,现已在Github上进行开源0.1版本,该软件研发成功后将具有以下特点:

高阶(High Order):在保留原有OpenFOAM有限体积离散方法之外,HopeFOAM致力于融合更多高阶数值离散方法形成计算力学工具箱。

并行(Parallel):为了改进并行计算的性能及可扩展性,HopeFOAM集成了多种并行计算工具集或软件以加速离散和计算过程。

可扩展(Extensible):在引入了高阶数值离散与高效并行计算的基础上,HopeFOAM将为使用者的进一步应用功能开发提供一个可扩展的软件框架及便捷接口。

HopeFOAM-0.1架构组织结构

研究院的研究成果具有广泛应用前景,将为航空制造业、造船业、汽车制造业、泵业制造、医疗器械制造、风力发电、核电等智能制造领域提供技术支持;同时,研究院与广州超算中心保持着良好的合作关系,研究成果除在国际开源平台开源合作外,也可在超算中心安装运行,供潜在用户使用。

二、数字制造云平台

数字化制造是指在数字化技术和制造技术融合的背景下,并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下,根据用户的需求迅速收集资源信息,对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组,实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造。进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。

云计算是当今工业界面临的一个重大机遇和挑战,云平台的搭建是该转变的最重要手段之一。在云计算平台中,客户所需的大部分相关开发和应用基础都已经事先存在了。客户可根据自己的需要选择平台上现有的模块组建个性化的应用工具,因此能够将更多的资源集中在自己关心的领域。

数字制造云平台旨在搭建一个适用于数字制造的云计算服务平台,对现有相关计算模型和计算方法进行模块化封装,为客户提供便利的访问、使用和拓展开发途径。客户可以基于数字制造云平台进行针对性地应用,对工业制造过程进行系统地模拟和分析,指导工业设计和制造的改进。

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