摘 要：本文以一型油船艏樓結(jié)構(gòu)有限元模型在天津超算平臺的計算實現(xiàn)為例，探討在本地微機上進(jìn)行ANSYS前、后處理，在遠(yuǎn)程超算平臺上使用ANSYS分布式并行計算求解的業(yè)務(wù)模式。通過具體應(yīng)用，探索一種處理大規(guī)模有限元計算的新方式。

關(guān)鍵詞：超算平臺；并行計算；有限元

1 引 言

由于技術(shù)的發(fā)展和要求，ANSYS等計算密集型軟件的應(yīng)用越來越多，人們對計算速度和計算規(guī)模的要求越來越高。而個人計算機受到硬件架構(gòu)和系統(tǒng)軟件的限制，已很難滿足這種大規(guī)模及高性能計算的需求。而高性能計算集群的出現(xiàn)，可以充分發(fā)揮各類軟件的并行計算能力，很大程度上解決了計算速度和計算規(guī)模的問題。目前，隨著國家推進(jìn)智慧城市發(fā)展政策的指引，國內(nèi)多個大城市均開始建設(shè)超級計算平臺，部分超級計算平臺已部署了ANSYS等應(yīng)用軟件，使中小型科研設(shè)計院所及工程建造企業(yè)通過政府的超算平臺解決企業(yè)高性能計算問題成為可能。但由于超算中心日常運維成本很高，為了盡量減少超算資源的占用，我們將有限元前、后處理工作放在本地計算機上完成。

2 應(yīng)用概述

2.1 超算應(yīng)用的軟硬件環(huán)境及業(yè)務(wù)流程

2.1.1 遠(yuǎn)程超算中心環(huán)境

天津超算中心的主業(yè)務(wù)計算機是當(dāng)前世界上運算速度最快之一的“天河一號”超級計算機，峰值速度為每秒1206萬億次雙精度浮點運算（TFlops），持續(xù)速度為563.1TFlops（LINPACK實測值），是我國首臺千萬億次超級計算機系統(tǒng)。

2.1.3 業(yè)務(wù)流程

目前超算平臺暫時未提供用戶圖形交互操作界面，用戶只能把預(yù)先編制好的命令行作業(yè)文件提交到超算平臺上執(zhí)行批量計算。以下為本應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程：

（1）在本地建立ANSYS有限元幾何模型，編制ANSYS計算作業(yè)文件、超算平臺作業(yè)調(diào)度文件；

（2）登錄遠(yuǎn)程超級計算機，上傳作業(yè)文件和作業(yè)調(diào)度文件，提交計算作業(yè)；

（3）觀察計算過程；

（4）讀取計算結(jié)果；

（5）在本地完成有限元計算后處理。

2.2 本地準(zhǔn)備工作

2.2.1 建立有限元幾何模型

Ansys軟件擁有良好的前處理交互界面，建立幾何模型所需的計算機資源少，在微機上也可方便地建立比較復(fù)雜的幾何模型，因此本應(yīng)用首先在微機上建立整個艏樓的幾何模型，并設(shè)置好模型的材料屬性、單元類型、實常數(shù)、剖面屬性等參數(shù)，如圖1所示。幾何模型建立后將文件保存為cal_1.db。

2.2.2 編制計算作業(yè)文件

為對比微機與超算并行處理模塊的處理能力，本模型采用細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長尺寸取25 mm。由于網(wǎng)格數(shù)量太多，在微機上不能完成網(wǎng)格劃分，因此網(wǎng)格劃分安排在超算平臺上進(jìn)行。

在超算平臺上進(jìn)行前處理APDL在并行處理模塊上使用方法與微機一致，因此本應(yīng)用采用APDL進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1]。計算求解控制同樣以APDL實現(xiàn)，保存成文件input.txt.。代碼如下：

2.2.3 編制計算作業(yè)調(diào)度文件

要通過計算作業(yè)調(diào)度文件才能使用超算中心分配的資源。按照超算中心作業(yè)調(diào)度文件編制規(guī)范要求，編制作業(yè)調(diào)度文件。意義如下：

第1行指定計算要采用的結(jié)點數(shù)：如-N 3 表示本應(yīng)用指定結(jié)點數(shù)為3；

第2行指定每個結(jié)點的CPU核數(shù)，本應(yīng)用指定每個結(jié)點上的CPU為4核；

第3行調(diào)用Ansys命令行文件，調(diào)用編制好的input計算作業(yè)文件；

第4行指定工作目錄，用戶可在遠(yuǎn)程超級計算機上分配到的文件夾下創(chuàng)建文件。

完整的作業(yè)調(diào)度文件保存為mechanical130-parallel.sh。

2.3 遠(yuǎn)程登錄超算中心

2.3.1 登陸服務(wù)器

為了保證用戶數(shù)據(jù)的安全，超算中心一般采用VPN 軟件對用戶的登錄進(jìn)行管理[2]。遠(yuǎn)程用戶首先需要使用瀏覽器軟件，通過VPN 用戶名和口令驗證訪問超算中心網(wǎng)站，再根據(jù)用戶自己的操作系統(tǒng)配置VPN 客戶端即可正常登陸超算中心VPN后。

用戶成功登陸超算中心VPN后，還需要登錄中心具體的資源業(yè)務(wù)服務(wù)器才能進(jìn)行計算。中心資源一般通過TCP 應(yīng)用的方式供用戶使用，用戶必須通過ssh 登陸方式，可以通過SSH Secure Shell Client，SecureCRT，Putty等ssh 客戶端軟件來使用中心資源。

本應(yīng)用通過本地Windows操作系統(tǒng)的微機遠(yuǎn)程登錄到天津超算中心的“天河一號”TH-1超級計算機，實現(xiàn)過程如下：

（1）應(yīng)用IE瀏覽器；

（2）安裝相應(yīng)控件；

（3）登錄到超算中心VPN；

（4）使用SSH Secure Shell Client客戶端軟件；

（5）登錄到天河一號TH-1 超級計算機。

2.3.2 修改用戶帳號密碼

具體項目數(shù)據(jù)通常涉及單位的商業(yè)秘密，為了保證數(shù)據(jù)安全，超算中心采用了LDAP 技術(shù)來管理用戶，新創(chuàng)建的用戶節(jié)點時會創(chuàng)建相應(yīng)的工作目錄。用戶可以通過passwd 命令修改用戶密碼。

2.4 上傳作業(yè)文件

計算需要的作業(yè)文件需要先從本地上傳到超級計算機上，從外部機器向天津超算中心的天河一號TH-1 小系統(tǒng)中上傳文件，可以使用sftp 客戶端，例如SSH Secure Shell Client 等本身自帶的文件傳輸功能，或者使用WinScp 的sftp 數(shù)據(jù)傳輸軟件。

2.5 提交作業(yè)，在超算平臺上進(jìn)行并行計算

用戶將在本地微機上準(zhǔn)備的cal_1.db、input.txt及mechanical130-parallel.sh文件上傳到超算平臺的用戶目錄下，用ls命令查看文件是否上傳成功。確認(rèn)文件上傳成功后，使用yhbatch mechanical130-parallel.sh指令提交作業(yè)。作業(yè)成功提交后，系統(tǒng)會自動生成作業(yè)號，開始進(jìn)行分布式并行運行。

2.6 觀察計算過程

提交作業(yè)腳本文件后，系統(tǒng)將會為本次作業(yè)分配一個唯一的作業(yè)號（Job ID）。

本次作業(yè)提交后，系統(tǒng)返回作業(yè)號為91705，并在當(dāng)前目錄下生成本次作業(yè)日志文件slurm-91705.out；

關(guān)鍵命令解釋如下：

yhq -u shikl 命令查看用戶shikl所有作業(yè)的情況：ST 表示作業(yè)狀態(tài)；R 表示作業(yè)處于運行中（Runing）；如果遇到PD 表示作業(yè)在等待狀態(tài)（Pending，可能由于沒有空閑的結(jié)點或用戶達(dá)到最大運行作業(yè)數(shù)或最大運行CPU核數(shù)）；ls 命令觀察當(dāng)前目錄所有文件；tail -f slurm-91705.out 命令實時查看本次作業(yè)的日志文件末尾信息。

2.7 讀取計算結(jié)果

分布式并行計算每個CPU分別生成獨自的Ansys結(jié)果文件，如.rst文件，本次應(yīng)用分別生成file0.rst、file1.rst、file2.rst、file3.rst、file4.rst共4個結(jié)果文件，運算完成后Ansys 分布模塊自動將每個CPU單獨產(chǎn)生fileX.rst文件合成為總的file.rst。

讀取計算結(jié)果時，不能像單機一樣直接讀取file.db文件，分布式并行計算結(jié)果不會保存到數(shù)據(jù)庫文件中，數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)的數(shù)據(jù)只包括主服務(wù)器的計算結(jié)果，因此計算結(jié)果只能讀取結(jié)果文件（file.rst）。

由于本應(yīng)用計算結(jié)果文件太大，在本地?zé)o法完成計算結(jié)果的讀取，計算結(jié)果用APDL讀取。

3 結(jié)語

通過本次應(yīng)用，熟悉了超算平臺ANSYS分布式并行處理模塊的使用流程，摸索出了一種微機ANSYS與超算平臺ANSYS并行處理模塊的連接方式，真實體驗了分布式并行計算強大的運算能力。

隨著船舶設(shè)計越來越向大型化發(fā)展，以及一些新規(guī)范的要求，如HCSR在計算結(jié)構(gòu)強度時要求將網(wǎng)格劃分為細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格邊長50 mm），疲勞計算時網(wǎng)格要求劃分為精細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格邊長不超過板厚），結(jié)構(gòu)計算的規(guī)模越來越大，普通微機硬件及效率已經(jīng)滿足不了計算的需求，超算平臺為此提供了一個高效的解決方案。但由于超算平臺應(yīng)用費用非常昂貴，而船舶結(jié)構(gòu)計算在前處理和后處理需花費非常大量時間，所有計算過程在超算平臺上進(jìn)行經(jīng)濟性不佳。因此采用在本地進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的前后處理，在超算平臺進(jìn)行求解計算的方式既經(jīng)濟又高效。本次應(yīng)用探索的微機ANSYS與超算平臺ANSYS業(yè)務(wù)連接方式具有較高的實用意義，同時對其它軟件與超算平臺對接也具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾樊， 雷麗萍， 基于ANSYS平臺有限元分析手冊.

[2] 國家超級計算機天津中心， ANSYS MECHANICAL 任務(wù)提交手冊.