细观尺度下含能材料数值模拟的计算性能优化及应用
含能材料数值模拟是研究含能材料力学行为的一种重要手段,采用物质点法在细观尺度下研究含能材料力学行为不仅可以节省实验过程中人力物力成本,避免实验的危险性,同时也为含能材料压制工艺设计提供理论指导。物质点法将一个整体的材料区域离散为若干相对于背景网格运动的质点,每一个质点都代表了一块与之相对应的材料区域并记录了该区域全部物质信息,所有离散质点组成的质点集合就代表了整个材料区域。其主要计算过程是将质点所携带的物质信息映射到背景网格,借助背景网格进行求解计算,最后把网格上的计算结果映射回质点。由此可见,如何将含能材料快速离散成符合炸药颗粒在模具内分布情况是进行含能材料力学性质是数值模拟研究的关键问题之一。
此外,将含能材料离散成许多质点,使得物质点法的计算量非常大,如何加快数值模拟计算速度成为提高含能材料数值模拟性能的关键。针对这一问题,设计了含能材料细观尺度下数值模拟的计算性能优化方案。该方案主要包括含能材料质点随机离散数字化实现和物质点法数值模拟并行化计算优化两部分。对于含能材料质点随机离散数字化,在满足含能材料属性、边界等相关要求的情况下,使用高级编程语言通过质点随机离散算法快速建立数字化模型。
对于并行计算优化方案,搭建一个高性能并行计算集群系统,使用openMPI并行消息传递库将一个计算任务分配到多个计算节点上进行计算。通过质点随机离散建立细观尺度模拟的数学模型,在基于MPI的高性能并行系统上进行含能材料细观尺度数值模拟,分析模拟数据结果,实验表明,本文设置的含能材料细观尺度下数值模拟的计算性能优化方案能够快速实现含能材料质点随机离散化,模具内填充率提高到78%,含能材料随机分布特征在整个模拟过程中与实验结果相比更加接近,验证了本文提出的质点随机离散方案的有效性。同时在由12个计算节点构成的并行计算集群系统上进行数值模拟计算,完成一个计算任务的速度提高了8-9倍,所需计算时间大幅度减少。
细观尺度下含能材料数值模拟的计算性能优化及应用
