有限元分析軟件ANSYS計算速度探究

張瀚文 司永宏

摘要：隨著計算機模擬仿真技術地不斷進步，在實際工程實踐中越來越多的領域都應用到有限元分析軟件，ANSYS作為有限元分析軟件的代表，在解決技術問題中有著廣泛的應用;在利用ANSYS WORKBENCH模擬纏繞式氣瓶工作狀態時，工作站分別采用了機械硬盤、固態硬盤、內存作為模擬文件的存儲介質對同類模擬文件進行計算并對比其計算速度、硬盤最高占用率;同時分析對比了調用不同中央處理器核數對計算速度影響，并給出工作站資源調配優化方案。

關鍵詞：有限元分析;纏繞式氣瓶;硬盤;內存;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作為科學研究的重要手段對解決科學技術問題有著舉足輕重的作用[1]，ANSYS為是世界范圍內影響廣泛的計算機輔助工程（CAE）軟件，在核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用[2-7]。同濟大學楊楠研究了 ANSYS中的非線性收斂與網格精度、邊界條件、整體運算時間和載荷步等一系列因素關系問題[8]。

利用ANSYS計算工程問題，往往會花費很多時間，研究不同存儲介質、不同中央處理器核數對ANSYS計算時間的影響有利于優化調配硬件以供有限元分析軟件運行，為有效縮短模擬分析時間提供了思路。

2 計算模型

氣瓶三維透視圖如圖1所示;該氣瓶封頭內外表面為不同心圓弧，對氣瓶采用T1000碳纖維/環氧樹脂復合材料進行全纏繞自緊，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部壓力對材料應力強度分布的影響，進而根據材料應力強度情況判斷設備安全狀態，最后達到確定合理自緊壓力與內部壓力的目的。

3 計算時間與不同存儲介質的關系

利用第2節所述模型在如表1配置、操作系統為WIN10的工作站中運算。分為2組運算試驗包括線性網格與非線性網格計算文件存儲在機械硬盤、固態硬盤、利用內存虛擬出的硬盤中進行運算。

3.1 線性網格計算文件在不同存儲介質的計算速度對比

本組運算的模擬計算文件分別在機械硬盤、固態硬盤、利用內存虛擬出的硬盤中存儲讀寫運算，其網格為線性網格，節點數為190874個，調用CPU核數為22枚，運算時間、最高占用率如表2所示。

由表2所得，內存虛擬硬盤速度略比固態硬盤和機械硬盤運算時間短，而機械硬盤與固態硬盤運算時間幾乎相同。

3.2 非線性網格計算文件在不同存儲介質的計算速度對比

本組運算的模擬計算文件分別在機械硬盤、固態硬盤、利用內存虛擬出的硬盤中存儲讀寫運算，將上一組計算文件中線性網格設置為非線性網格時，其節點數自動變化為822579個，調用CPU核數為22枚，運算時間、最高占用率如表3所示。

通過上表可發現計算文件利用內存虛擬硬盤作為存儲介質時，其計算時間比存儲在固態硬盤要快近35%，比存儲在機械硬盤快約47%。

3.3 結果分析

通過上述試驗結果得出，當總體計算時間較短時，由于主要依靠存儲介質讀寫速度決定運算速度的計算步占用整體計算時間比例不大，因此內存虛擬硬盤節約的時間并不明顯;當當總體計算時間較長時，由于主要依靠存儲介質讀寫速度決定運算速度的計算步占用整體計算時間比例提高，內存虛擬硬盤節約運算時間效果提高。

4 計算時間與計算文件調用CPU核數關系

利用第2節所述模型，網格采用線性網格，分別調用CPU18核、14核、10核、6核、2核、1核對其進行運算，計算文件運算時間與核數之間關系如圖2所示。

由圖2可知，在前文所述計算條件下，隨著調用CPU核數的增加，所需運算時間越來越短，但縮短的比例越來越小。調用CPU核數達到10核時，核數的增加沒有明顯的縮短運算時間。

5 結論

通過上述試驗結果得出利用內存虛擬硬盤技術可以提高ANSYS在計算機中的總體運行速度，在網格為非線性、運算規模較大時速度提升效果較為明顯。

在利用ANSYS進行多組模擬試驗時，可利用內存虛擬硬盤技術虛擬出多個硬盤作為計算文件存儲介質，避免實體硬盤因磁盤占用率過高影響總體計算速度。

探究出針對本運算環境下較為高效的調用CPU核數，對工作站的使用配置提供了思路。

綜上所述，工作站資源調配優化方案為：在計算線性網格模型時，表1所述工作站可利用虛擬硬盤技術裝載出2個30G硬盤，將計算文件分別存儲在機械硬盤、固態硬盤、2個內存虛擬硬盤共4個存儲介質上，4個計算文件調配CPU核數都設置為6枚，4個人計算文件同時運行計算，經試驗，四個計算文件同時運行11m45s后，四個計算文件都完成運算，比單一計算文件每次調用全部CPU內核計算4次快12m13s;當計算機處于較長時間無人干預時可采用多利用內存虛擬硬盤、每個計算文件降低CPU調用核數以達到多個計算文件同時計算的目的。

參考文獻：

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[7] 王澤軍，許崇濤，陳志剛.12Cr1MoVG高溫管道中異種鋼焊縫引起的局部熱應力[J].壓力容器，2019，36（8）：50-56.

[8] 楊楠.CAE軟件操作小百科（47）[J].計算機輔助工程，2019，28（2）：74-75.

【通聯編輯：梁書】