新一代极限力学仿真软件ESCAAS

7月前浏览8494

本文摘要（由ai生成）：

ESCAAS 是一款预测高度非线性问题的极限力学仿真软件，拥有数值仿真领域前沿的核心算法——最优输运无网格方法（OTM）。该软件包含丰富完善的材料模型，高度可扩展性的软件架构，超级并行计算能力，专注于为高温、高压、高应变率等极限条件下的高度非线性瞬态热力学问题提供高效精准的求解方案。

ESCAAS^®软件是预测高度非线性问题的极限力学仿真软件，拥有数值仿真领域前沿的核心算法——最优输运无网格方法（OTM），软件包含丰富完善的材料模型,高度可扩展性的软件架构，超级并行计算能力。也称为“翼计算”。ESCAAS^®专注于为高温、高压、高应变率等极限条件下的高度非线性瞬态热力学问题提供高效精准的求解方案。ESCAAS^®以严格的数学理论与计算数学方法为基础，充分利用先进的计算机科学与软件技术，采用基于物理现象本质与各种工程材料热力学响应及失效机理的本构模型，实现对产品在逼近设计极限工作环境下性能的高精度预测。

OTM（Optimized Transport Meshfree）是最优输运无网格方法，这种方法将最优输运理论与物质点离散和局部最大熵无网格插值有机结合在一起，OTM方法属于显式的增量拉格朗日无网格法。它继承了拉格朗日方法简便的控制方程，高效的求解过程以及自动跟踪材料界面与状态变化的优势。同时通过结合最优化传输理论（optimal transportation theory）、局部最大熵无网格插值函数（LocalMaximum Entropy LME）与物质点（Material Points）几何离散，克服了传统数值方法（基于网格数值方法诸如拉格朗日和欧拉有限元方法）的瓶颈。

ESCAAS软件适于但不限于以下问题的仿真：

碰撞
冲击
爆炸
侵彻
增材制造
流固耦合
热固耦合
流热固耦合

ESCAAS软件优势：

创新的显式计算方法

ESCAAS采用OTM方法，更加稳定、精确。OTM方法采用节点与质量点离散，运动信息存储在节点，力学信息存储在质量点。质量点与节点动态联系，避免了SPH方法中的拉应力不稳定，避免零能模式的出现。
局部最大熵无网格插值函数（LME）的引入克服了基于网格的拉格朗日方法中由于网格大变形造成的插值函数误差和计算的发散。

极端条件下的极限力学仿真

经过十年的研发以及理论与大量实验验证，OTM方法在模拟不同材料在高温（>103~104K），高压（>10~100Gpa）、高应变率（>104~108/s）等极限条件下复杂热力学响应具有显著优势。金属防护与建筑物抗爆炸冲击模拟（~40Gpa）、外星球登陆装置与钻探模拟、惯性约束核聚变装置的模拟，以及金属部件3D打印过程预测等等
能够高精度模拟从一般碰撞到超高速碰撞问题（0~10km）。例如装甲弹道撞击模拟(100m/s~2km/s)、航天器抵御空间碎片超高速撞击模拟（5km/s~10km/s）
传统计算力学方法处理极限问题具有很大局限性。主要由于起决定性作用的复杂的热力学现象，其中包含了复杂三维结构的超大变形、热力强耦合过程以及固液气相变与多相混合、高度非线性以及应变率相关的材料热力学响应、三维裂纹扩展与碎片云，以及多体动态接触。ESCAAS软件克服传统显式方法的不稳定、不精确、功能受限等弊端。

创新的裂纹扩展算法

材料在极限条件下力学行为的预测，裂纹扩展、碎裂、层裂以及碎片云的数值模拟是极其关键的一个环节。然而现有的裂纹扩展算法，包括内聚单元法（cohesive zone model）、单元删除法（element erosion）以及各种失效算法（damage algorithms），理论上都是不收敛的，是网格或者离散相关的。
ESCAAS中采用了一种全新的裂纹扩展算法，质量点失效算法（EigenErosion）。EigenErosion方法是基于能量与变分原理的裂纹尖端扩展算法。数学上可以严格的证明EigenErosion的计算结果是收敛的，即离散越细，结果越精确。同时通过能量平均化来定义局部能量释放率，避免了网格或者离散相关性。相对于有限元方法中的裂纹扩展算法以及扩展有限元法（XFEM），EigenErosion方法同时具备非常简便的三维几何与拓扑结构的处理方式，无需显式的重构复杂的裂纹表面。EigenErosion可以适用于脆性与韧性断裂的模拟，小变形与大变形，静态与动态裂纹扩展问题。它是无网格方法中迄今唯一基于物理的，收敛的，与离散无关的裂纹扩展算法。

热流固耦合

在OTM方法中，节点包含了运动学信息与温度场。通过热力耦合变分原理，对能量守恒与热力学第二定律的求解，OTM方法可以精确的预测材料内部的温度分布以及系统熵的变化。尤其是金属材料在高速撞击与高应变率加载条件下，能量会通过粘性以及塑性等内部耗散过程转换为热能。ESCAAS是现今唯一可以精确模拟带能量耗散的热力强耦合系统的软件。拉格朗日无网格法与热力耦合变分原理的完美结合，为热流固耦合，固液气动态相变与多相混合提供了高效稳定、精确收敛的计算方法。
ESCAAS包含了开创性的包含相变的热流固耦合无网格计算框架，具备预测材料在大变形、高温、高压和高应变率下的热力学响应的独特能力。热流固耦合（Thermal-Fluid-Structure Interactions, TFSI）是在制造、能源、航空航天、舰船、国防等工业领域中长期存在并起关键作用的多物理场现象。ESCAAS采用基于变分原理的一般能量耗散系统的热力耦合本构更新方法，通过整合OTM方法与一般能量耗散系统的热力学变分法则，强热流固耦合模型在考虑任意三维几何结构超大变形的同时，可高效稳定的求解固-液-气多相动态转换和混合，任意非线性材料模型以及裂纹扩展。

超大规模并行计算，支持云计算

ESCAAS采用MPI/PThreads混合的方式对OTM方法进行了高度并行化（pOTM方法）来降低计算成本。pOTM方法的并行效率已经在世界TOP10超级计算机（Titan，Sequoia等）上进行过测试。在采用一千五百万质量点的超高速撞击数值模拟中，MPI/PThreads混合并行化的pOTM方法可以以超线性的方式加速到16,284个核。pOTM方法结合了共享内存多线程并行化与分布式多进程并行化，有效的利用异构超级计算集群对OTM模拟进行线性甚至超线性加速。目前，pOTM方法已成功地将OTM计算的效率超线性的提升到10⁵个计算核心

开放的软件架构，可进行深度开发定制

ESCAAS软件基于设计模式的软件设计与高效C++实现的有机结合，保证商业化产品级的健壮性与扩展性。ESCAAS核心算法、自主知识产权以及国内外专业研发团队将帮助其成长为新一代世界级的工程计算软件。可以按用户的需求将其定制为专用的仿真平台或工具，例如超高速碰撞模拟平台，鸟撞模拟平台，流固耦合专用工具等等。另外对高校、科研机构可以利用ESCAAS的开放性架构，将自己的创新成果加入软件中，形成自己的专用工具，包括算法、材料、公式等等都可以加入进去。