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      模擬仿真與數字制造服務平臺

      時間:[2017-12-29]  來源:

      當前,信息技術正在與制造業加速融合,數字化、網絡化、智能化已經成為全球制造業發展的重要方向與搶占經濟制高點的重要抓手。作為一種可持續發展的制造模式,智能制造可以減少制造過程中對資源與能源的消耗,提高生產效率與質量,改善用戶體驗,已經成為現代制造業的重要發展方向之一。隨著數字化制造技術的迅猛發展,以產品設計、制造、服務智能化為特點,融合傳感技術、自動化技術、信息網絡技術、人工智能的智能制造技術也有了長足發展。其中,高性能計算作為數字化制造技術的關鍵基礎框架,已滲透到基礎與應用研究、工業發展以及社會生活的各個方面。

      在數值仿真與計算模擬中,計算方法與數學模型是兩個單獨的過程,數學建模和計算方法可以進行千變萬化的搭配以達到預期的研究目的。隨著計算機的高速發展,計算方法及技術與不同數學模型的適應性推進取得了巨大的成功。以經典牛頓力學為基礎的連續介質力學模型是目前發展最充分的數學模型,也是目前應用最廣的數學模型,普遍應用于流體、固體力學計算領域,其與有限差分法、有限元法和有限體積方法等的結合已經應用在工程中的各個領域。然而,“連續性假設”并不能反映某些微觀現象,尤其當微觀尺度運動起主導作用時,“連續性假設”將不能合理解釋某些物理現象。以量子力學為基礎來建立這些問題的數學模型可以很好地解決上述問題,但其計算量巨大,目前不適合工程實際應用。

      多尺度高性能計算包括多尺度物理模型和與之匹配的多尺度計算方法,通過對不同尺度層次應用不同物理規律,建立數學模型并提供有效的計算方法,能夠在準確描述相關物理機制的基礎上最大限度地節省計算資源。在食品、化妝品、材料等加工過程研究中,涉及溶液的宏觀流體動力學、分子間的相互作用和高分子鏈之間的相互纏結等多尺度問題。通過選擇不同數學模型(連續介質力學模型、多相粘彈動力學模型、微觀粒子模型和愛德華茲大分子自洽場理論等)和計算方法(有限差分法、有限元法、有限體積法、格子玻爾茲曼法和平滑顆粒動力學法等)對制造業中的相關現象進行系統的研究,以期達到對相關物理機制的系統認識與應用。

      一、模擬仿真平臺框架

      1.1 量子力學計算

      基于量子力學的模擬可通過近似求解薛定諤方程,精確預測分子以及周期性結構的電學、熱學、電磁學、光學以及化學性質。通過量子化學計算,能幫助我們了解瞬息之間發生的化學反應,預測某些激發態和過渡態的幾何結構,呈現生物大分子中某一活性位的電荷轉移?;诹孔恿W的模擬已成為新型材料研發、藥物分子設計的強力工具。

      量子化學原則上可以告訴我們幾乎所有的材料信息,主要包括:

      • 分子、晶體和表面/界面的結構信息

      • 結晶或成核

      • 態密度和能帶

      • 化學性質和化學反應過程

      1.2 粒子模擬

      使用全原子或者粗?;W幽P?,通過分子動力學、蒙特卡羅、耗散粒子動力學等模擬手段,從微觀的分子尺度研究復雜材料加工過程中的分子運動、排列、聚集、組裝等行為,可以幫助理解材料加工過程中,一些宏觀或介觀結構形成的微觀機理,從而為可控地獲得某些特定結構和功能的材料提供理論指導。

      1.3 介觀場基模擬

      該平臺主要提供基于(自洽)平均場理論、(經典)密度泛函理論、以及粒子-場耦合模型的計算模擬方法,它們不僅可以用來研究軟物質體系的熱力學平衡態性質(如非均相體系的平衡態相圖計算等),并且通過聯合動力學方程,亦可以研究軟物質材料的結構生成動力學等非平衡態行為。此外,自洽場理論與高分子的管子模型耦合的方法將可以用來考察非均相纏結高分子體系的黏彈行為及其相分離動力學等。

      1.4 連續介質計算力學

      連續介質力學是研究物質宏觀力學性狀的分支學科。連續介質力學的最基本假設是“連續介質假設”:即認為真實流體或固體所占有的空間可以近似地看作連續地無空隙地充滿著“質點”,質點所具有的宏觀物理量(如質量、速度、壓力、溫度等)滿足一切應該遵循的物理定律。這一假設忽略物質的具體微觀結構,因此連續介質力學不能表述物質的微觀力學性狀。連續介質力學是目前流體和固體力學性狀研究中最普遍采用的數學模型,且與常用的有限元、有限體積、有限差分等離散方法的聯合應用已深入工程領域的各個方面。

      計算流體力學作為高性能計算的一個重要應用領域,由于具有成本低,適用范圍廣等優點,在汽車制造、航空航天、石油化工、流體機械、能源動力、建筑環境、生物科技、氣象科學、海洋工程、農業灌溉、軍事科學等諸多工程技術領域都有廣泛應用。

      然而,我國長期以來更為重視具有顯示度的高性能計算機硬件研制,導致國內的自主數值模擬與仿真軟件匱乏,大多數研究基于Fluent、CFX等國際商用軟件展開,收費昂貴且并行效率與模擬精度被國外開發商嚴格限制,相關研究長期受制于人,并未徹底形成支撐CFD全方位原創性研究的能力。

      研究院聚集數字化仿真與設計平臺聯合并行計算、數值計算和流體力學等專家,緊扣高階數值計算主線,借鑒國際開源軟件架構,設計能夠同時支持多種數值離散方法的框架體系結構,為各類用戶提供可擴展的便捷開發接口;基于框架突破網格階次適配、高階探測器限制器、通用數值求解庫、高效矩陣組織存儲、稀疏線性方程組求解、并行計算可擴展優化等關鍵技術,研究高效的高階數值計算方法和CFD并行計算方法;將框架及相關方法進行典型案例驗證與新領域應用推廣,研發一款高階并行可擴展的CFD應用開發框架軟件,并將其在國際上開源發布,將在一定程度上緩解我國CFD原創性研究長期受制于人的問題,也為我國類似軟件研發提供借鑒。


      研究院圍繞高性能計算軟硬發展不平衡問題,聚焦高階數值計算技術路線,對CFD跨學科交叉研究所亟需的高效并行應用開發框架展開研究。Exercise小組基于開源軟件模式,走國際開放合作的道路,在國際學術界和產業界普遍認可的開源軟件(OpenFOAM、paraFEM、Deal ii等)的基礎上,,設計實現全新的高階并行可擴展CFD應用開發框架,致力于研發一款名為HopeFOAM的高階計算力學軟件,現已在Github上進行開源0.1版本,該軟件研發成功后將具有以下特點:

      高階(High Order):在保留原有OpenFOAM有限體積離散方法之外,HopeFOAM致力于融合更多高階數值離散方法形成計算力學工具箱。

      并行(Parallel):為了改進并行計算的性能及可擴展性,HopeFOAM集成了多種并行計算工具集或軟件以加速離散和計算過程。

      可擴展(Extensible):在引入了高階數值離散與高效并行計算的基礎上,HopeFOAM將為使用者的進一步應用功能開發提供一個可擴展的軟件框架及便捷接口。

      HopeFOAM-0.1架構組織結構

      研究院的研究成果具有廣泛應用前景,將為航空制造業、造船業、汽車制造業、泵業制造、醫療器械制造、風力發電、核電等智能制造領域提供技術支持;同時,研究院與廣州超算中心保持著良好的合作關系,研究成果除在國際開源平臺開源合作外,也可在超算中心安裝運行,供潛在用戶使用。

      二、數字制造云平臺

      數字化制造是指在數字化技術和制造技術融合的背景下,并在虛擬現實、計算機網絡、快速原型、數據庫和多媒體等支撐技術的支持下,根據用戶的需求迅速收集資源信息,對產品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規劃和重組,實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造。進而快速生產出達到用戶要求性能的產品整個制造全過程。

      云計算是當今工業界面臨的一個重大機遇和挑戰,云平臺的搭建是該轉變的最重要手段之一。在云計算平臺中,客戶所需的大部分相關開發和應用基礎都已經事先存在了??蛻艨筛鶕约旱男枰x擇平臺上現有的模塊組建個性化的應用工具,因此能夠將更多的資源集中在自己關心的領域。

      數字制造云平臺旨在搭建一個適用于數字制造的云計算服務平臺,對現有相關計算模型和計算方法進行模塊化封裝,為客戶提供便利的訪問、使用和拓展開發途徑??蛻艨梢曰跀底种圃煸破脚_進行針對性地應用,對工業制造過程進行系統地模擬和分析,指導工業設計和制造的改進。

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