JSTAMP/NV中提升仿真计算效率的策略

罗序利等

摘要： 针对仿真计算速度已成为制约冲压产品开发工程师和模具设计工程师工作效率提高的重要因素的问题，详细介绍影响JSTAMP/NV仿真计算速度的重要因素，在满足不同仿真需求的情况下推荐使用合适的仿真参数以合理利用计算资源；介绍JSTAMP/NV中一些特殊功能以进一步提升仿真计算速度.

关键词： 金属成型； 冲压； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大规模并行处理

中图分类号： TG386.4；TB115.1文献标志码： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料冲压数值模拟软件已广泛应用于产品设计和模具设计领域，在产品制造之前事先预测板料的成型性能为面向制造的设计提供成功保证.然而，板料冲压是大挠度、大变形的复杂多体接触力学问题，板料冲压数值模拟涉及板料弹塑性变形的描述和计算、板料与模具间接触力和摩擦力的计算、模具的几何形状和运动计算以及压力机加载过程的模拟计算等，仅使用普通计算机计算，其仿真计算时间往往需要数小时之久，影响工程师的工作效率和设计思路的连贯性.当然，计算机的硬件配置和CPU核数对提升计算速度有明显影响，除增配硬件设施外，JSTAMP/NV中的一些推荐设置和特殊功能也可以在满足仿真需求的前提下节省计算资源、提升计算速度.

1影响仿真计算速度的因素

在计算资源一定的情况下，根据设计阶段和仿真目的的不同，设置适当的仿真参数，合理利用计算资源，往往能够减少计算时间并达到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中对一些影响计算速度的参数给出不同场合的推荐设置.

1.1坯料网格尺寸

在进行仿真计算之前，需要对板坯进行有限元网格离散化，也就是通常所说的划分网格.坯料网格疏密程度是影响仿真计算速度的重要因素.网格划分太密，计算速度就会变慢；网格划分太粗，虽然仿真计算时间缩短，但是其精度也必然受到一定的影响.按照一般经验，可以根据90°模具圆角半径上的单元数量确定坯料网格的大小，见表1.有时，为了提高仿真精度，可以将网格划分得比推荐值更细致，但坯料网格尺寸尽量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于该值，为保证仿真计算的精度，推荐使用实体单元进行模拟.

2提升计算速度的策略

JSTAMP/NV还提供一些特殊的功能，用于更好地解决计算时间较长的问题.

2.1自适应网格

网格自适应是指在板料成型模拟过程中，当坯料遇到比较剧烈的变形时可以自动将局部区域的网格进行细化处理，以提高这些部位计算的准确度.因为初始的冲压板材通常比较平坦且形状很简单，在划分网格时，若网格较粗，则可能引起较大误差；但若采用细密的网格，则单元总数增加且单元尺寸减小，这将降低极限时的步长，增加计算机时.虽然有时可以通过在前处理中采用局部细分网格的方式节省机时，但由于板料大变形和在模具中的相对滑动，所以难以预测局部细分网格在初始状态板料上的相对位置，而且局部细分网格在前处理时也有很大麻烦.自适应网格技术能很好地解决这一问题，并在时间与精度上巧妙地取得平衡，见图2.

JSTAMP/NV在设定板材计算条件时可以勾选“使用自适应选项”（推荐自适应网格加密级数采用2～3级）.JSTAMP/NV的壳单元网格可以通过自适应的方式在保证计算精度不明显下降的前提下极大减少计算时间，并且JSTAMP/NV还对自适应算法进行优化，在输出结果文件时再次进行网格划分，进一步减少求解器对硬盘读取操作的时间，从而再一次提高计算速度.

2.2设置质量缩放倍率

虚拟时间步长用来控制最小时间步长，LSDYNA求解器根据坯料中最小网格单元设定最小计算时间步长，因此可以通过人为增加最小时间步长的方式加快计算速度.这种通过改变虚拟时间步长缩减计算时间的方式被称为质量缩放.适当地增加时间步长可以在不对结果产生太大误差的情况下有效地缩短模拟计算的时间，见图3.

虚拟时间步长的取值可为正值和负值.若取正值，则不论单元最小时间步长是否小于虚拟时间步长，程序都将所有单元的时间步长统一设定为虚拟时间步长；若取负值，则程序只会将单元最小时间步长小于虚拟时间步长的那些单元修改为虚拟时间步长的值，其余单元仍使用原来的时间步长进行计算.

2.3部分计算功能

JSTAMP/NV的部分计算功能是指当模具的局部形状发生更改时，可使用对应模具修改部分的板材网格进行计算，而无须重新计算全部板料，见图4.

2.4计算参数汇集功能的使用

JSTAMP/NV的计算参数汇集功能可批量设定新追加工序或现有工序计算参数，见图5.批量设定的计算参数从指定的文本文件（计算参数汇集文件）中读入.用户可以在工序流程面板新建某工序或右键选择已存在的工序，在弹出的快捷菜单栏中选择“计算参数汇集的使用”，该功能提供“快速”“标准”和“精确”等3种等级计算精度.根据仿真目的选择对应的精度等级，如在成型预测中选择粗算，在回弹、回弹补偿和表面质量评估中则选择精算.

2.5合适求解器的选择

对称多处理系统（Symmetric Multi Processing，SMP）在一台计算机上汇集一组紧耦合处理器，各个处理器之间共享内存、子系统和总线结构，因此其最大特点就是共享所有资源.相对于非对称多处理技术，SMP是应用十分广泛的并行技术.在SMP中，系统资源被系统中所有处理器共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器上.2～4个处理器对于计算速度的提高较好，当大于8个处理器时计算速度的提高达到饱和.

大规模并行处理系统（Massive Parallel Processing，MPP）由许多松耦合的处理单元组成.要注意的是，这里指的是处理单元而不是处理器.每个处理单元内的处理器都有自己私有的资源，如总线、内存和硬盘等；每个处理单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本.这种计算方式将模型分成多个域（见图6），每个处理器求解一个域，每个域的节点边界交换信息.与SMP相比，MPP交换信息较少，可以配置大于64个以上的处理器.SMP和MPP求解器计算时间对比见图7.

3结束语

在不增加计算机硬件配置的情况下，可以通过优化仿真参数在计算精度与计算时间之间寻求平衡，以在满足仿真需求的基础上合理利用计算资源，提升计算速度.同时，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以进一步缩减计算机时，提升仿真效率.

（编辑于杰）

摘要： 针对仿真计算速度已成为制约冲压产品开发工程师和模具设计工程师工作效率提高的重要因素的问题，详细介绍影响JSTAMP/NV仿真计算速度的重要因素，在满足不同仿真需求的情况下推荐使用合适的仿真参数以合理利用计算资源；介绍JSTAMP/NV中一些特殊功能以进一步提升仿真计算速度.

关键词： 金属成型； 冲压； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大规模并行处理

中图分类号： TG386.4；TB115.1文献标志码： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料冲压数值模拟软件已广泛应用于产品设计和模具设计领域，在产品制造之前事先预测板料的成型性能为面向制造的设计提供成功保证.然而，板料冲压是大挠度、大变形的复杂多体接触力学问题，板料冲压数值模拟涉及板料弹塑性变形的描述和计算、板料与模具间接触力和摩擦力的计算、模具的几何形状和运动计算以及压力机加载过程的模拟计算等，仅使用普通计算机计算，其仿真计算时间往往需要数小时之久，影响工程师的工作效率和设计思路的连贯性.当然，计算机的硬件配置和CPU核数对提升计算速度有明显影响，除增配硬件设施外，JSTAMP/NV中的一些推荐设置和特殊功能也可以在满足仿真需求的前提下节省计算资源、提升计算速度.

1影响仿真计算速度的因素

在计算资源一定的情况下，根据设计阶段和仿真目的的不同，设置适当的仿真参数，合理利用计算资源，往往能够减少计算时间并达到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中对一些影响计算速度的参数给出不同场合的推荐设置.

1.1坯料网格尺寸

在进行仿真计算之前，需要对板坯进行有限元网格离散化，也就是通常所说的划分网格.坯料网格疏密程度是影响仿真计算速度的重要因素.网格划分太密，计算速度就会变慢；网格划分太粗，虽然仿真计算时间缩短，但是其精度也必然受到一定的影响.按照一般经验，可以根据90°模具圆角半径上的单元数量确定坯料网格的大小，见表1.有时，为了提高仿真精度，可以将网格划分得比推荐值更细致，但坯料网格尺寸尽量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于该值，为保证仿真计算的精度，推荐使用实体单元进行模拟.

2提升计算速度的策略

JSTAMP/NV还提供一些特殊的功能，用于更好地解决计算时间较长的问题.

2.1自适应网格

网格自适应是指在板料成型模拟过程中，当坯料遇到比较剧烈的变形时可以自动将局部区域的网格进行细化处理，以提高这些部位计算的准确度.因为初始的冲压板材通常比较平坦且形状很简单，在划分网格时，若网格较粗，则可能引起较大误差；但若采用细密的网格，则单元总数增加且单元尺寸减小，这将降低极限时的步长，增加计算机时.虽然有时可以通过在前处理中采用局部细分网格的方式节省机时，但由于板料大变形和在模具中的相对滑动，所以难以预测局部细分网格在初始状态板料上的相对位置，而且局部细分网格在前处理时也有很大麻烦.自适应网格技术能很好地解决这一问题，并在时间与精度上巧妙地取得平衡，见图2.

JSTAMP/NV在设定板材计算条件时可以勾选“使用自适应选项”（推荐自适应网格加密级数采用2～3级）.JSTAMP/NV的壳单元网格可以通过自适应的方式在保证计算精度不明显下降的前提下极大减少计算时间，并且JSTAMP/NV还对自适应算法进行优化，在输出结果文件时再次进行网格划分，进一步减少求解器对硬盘读取操作的时间，从而再一次提高计算速度.

2.2设置质量缩放倍率

虚拟时间步长用来控制最小时间步长，LSDYNA求解器根据坯料中最小网格单元设定最小计算时间步长，因此可以通过人为增加最小时间步长的方式加快计算速度.这种通过改变虚拟时间步长缩减计算时间的方式被称为质量缩放.适当地增加时间步长可以在不对结果产生太大误差的情况下有效地缩短模拟计算的时间，见图3.

虚拟时间步长的取值可为正值和负值.若取正值，则不论单元最小时间步长是否小于虚拟时间步长，程序都将所有单元的时间步长统一设定为虚拟时间步长；若取负值，则程序只会将单元最小时间步长小于虚拟时间步长的那些单元修改为虚拟时间步长的值，其余单元仍使用原来的时间步长进行计算.

2.3部分计算功能

JSTAMP/NV的部分计算功能是指当模具的局部形状发生更改时，可使用对应模具修改部分的板材网格进行计算，而无须重新计算全部板料，见图4.

2.4计算参数汇集功能的使用

JSTAMP/NV的计算参数汇集功能可批量设定新追加工序或现有工序计算参数，见图5.批量设定的计算参数从指定的文本文件（计算参数汇集文件）中读入.用户可以在工序流程面板新建某工序或右键选择已存在的工序，在弹出的快捷菜单栏中选择“计算参数汇集的使用”，该功能提供“快速”“标准”和“精确”等3种等级计算精度.根据仿真目的选择对应的精度等级，如在成型预测中选择粗算，在回弹、回弹补偿和表面质量评估中则选择精算.

2.5合适求解器的选择

对称多处理系统（Symmetric Multi Processing，SMP）在一台计算机上汇集一组紧耦合处理器，各个处理器之间共享内存、子系统和总线结构，因此其最大特点就是共享所有资源.相对于非对称多处理技术，SMP是应用十分广泛的并行技术.在SMP中，系统资源被系统中所有处理器共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器上.2～4个处理器对于计算速度的提高较好，当大于8个处理器时计算速度的提高达到饱和.

大规模并行处理系统（Massive Parallel Processing，MPP）由许多松耦合的处理单元组成.要注意的是，这里指的是处理单元而不是处理器.每个处理单元内的处理器都有自己私有的资源，如总线、内存和硬盘等；每个处理单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本.这种计算方式将模型分成多个域（见图6），每个处理器求解一个域，每个域的节点边界交换信息.与SMP相比，MPP交换信息较少，可以配置大于64个以上的处理器.SMP和MPP求解器计算时间对比见图7.

3结束语

在不增加计算机硬件配置的情况下，可以通过优化仿真参数在计算精度与计算时间之间寻求平衡，以在满足仿真需求的基础上合理利用计算资源，提升计算速度.同时，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以进一步缩减计算机时，提升仿真效率.

（编辑于杰）

摘要： 针对仿真计算速度已成为制约冲压产品开发工程师和模具设计工程师工作效率提高的重要因素的问题，详细介绍影响JSTAMP/NV仿真计算速度的重要因素，在满足不同仿真需求的情况下推荐使用合适的仿真参数以合理利用计算资源；介绍JSTAMP/NV中一些特殊功能以进一步提升仿真计算速度.

关键词： 金属成型； 冲压； JSTAMP/NV； 仿真； 效率； 大规模并行处理

中图分类号： TG386.4；TB115.1文献标志码： B

Abstract： As to the issue that the simulation calculation speed has become a key factor that restricts the work efficiency of stamping product development engineers and die design engineers， the important factors that affect the simulation calculation speed using JSTAMP/NV are detailed， and some appropriate simulation parameters that can be used to rationally utilize the computing resources are recommended to meet the different simulation requirements； some special functions of JSTAMP/NV are introduced to further improve the simulation calculation speed.

Key words： metal forming； stamping； JSTAMP/NV； simulation； efficiency； massive parallel processing

引言

如今，板料冲压数值模拟软件已广泛应用于产品设计和模具设计领域，在产品制造之前事先预测板料的成型性能为面向制造的设计提供成功保证.然而，板料冲压是大挠度、大变形的复杂多体接触力学问题，板料冲压数值模拟涉及板料弹塑性变形的描述和计算、板料与模具间接触力和摩擦力的计算、模具的几何形状和运动计算以及压力机加载过程的模拟计算等，仅使用普通计算机计算，其仿真计算时间往往需要数小时之久，影响工程师的工作效率和设计思路的连贯性.当然，计算机的硬件配置和CPU核数对提升计算速度有明显影响，除增配硬件设施外，JSTAMP/NV中的一些推荐设置和特殊功能也可以在满足仿真需求的前提下节省计算资源、提升计算速度.

1影响仿真计算速度的因素

在计算资源一定的情况下，根据设计阶段和仿真目的的不同，设置适当的仿真参数，合理利用计算资源，往往能够减少计算时间并达到事半功倍的效果.JSTAMP/NV中对一些影响计算速度的参数给出不同场合的推荐设置.

1.1坯料网格尺寸

在进行仿真计算之前，需要对板坯进行有限元网格离散化，也就是通常所说的划分网格.坯料网格疏密程度是影响仿真计算速度的重要因素.网格划分太密，计算速度就会变慢；网格划分太粗，虽然仿真计算时间缩短，但是其精度也必然受到一定的影响.按照一般经验，可以根据90°模具圆角半径上的单元数量确定坯料网格的大小，见表1.有时，为了提高仿真精度，可以将网格划分得比推荐值更细致，但坯料网格尺寸尽量不小于板料的厚度，而且不能小于板厚的70%，如果一定要小于该值，为保证仿真计算的精度，推荐使用实体单元进行模拟.

2提升计算速度的策略

JSTAMP/NV还提供一些特殊的功能，用于更好地解决计算时间较长的问题.

2.1自适应网格

网格自适应是指在板料成型模拟过程中，当坯料遇到比较剧烈的变形时可以自动将局部区域的网格进行细化处理，以提高这些部位计算的准确度.因为初始的冲压板材通常比较平坦且形状很简单，在划分网格时，若网格较粗，则可能引起较大误差；但若采用细密的网格，则单元总数增加且单元尺寸减小，这将降低极限时的步长，增加计算机时.虽然有时可以通过在前处理中采用局部细分网格的方式节省机时，但由于板料大变形和在模具中的相对滑动，所以难以预测局部细分网格在初始状态板料上的相对位置，而且局部细分网格在前处理时也有很大麻烦.自适应网格技术能很好地解决这一问题，并在时间与精度上巧妙地取得平衡，见图2.

JSTAMP/NV在设定板材计算条件时可以勾选“使用自适应选项”（推荐自适应网格加密级数采用2～3级）.JSTAMP/NV的壳单元网格可以通过自适应的方式在保证计算精度不明显下降的前提下极大减少计算时间，并且JSTAMP/NV还对自适应算法进行优化，在输出结果文件时再次进行网格划分，进一步减少求解器对硬盘读取操作的时间，从而再一次提高计算速度.

2.2设置质量缩放倍率

虚拟时间步长用来控制最小时间步长，LSDYNA求解器根据坯料中最小网格单元设定最小计算时间步长，因此可以通过人为增加最小时间步长的方式加快计算速度.这种通过改变虚拟时间步长缩减计算时间的方式被称为质量缩放.适当地增加时间步长可以在不对结果产生太大误差的情况下有效地缩短模拟计算的时间，见图3.

虚拟时间步长的取值可为正值和负值.若取正值，则不论单元最小时间步长是否小于虚拟时间步长，程序都将所有单元的时间步长统一设定为虚拟时间步长；若取负值，则程序只会将单元最小时间步长小于虚拟时间步长的那些单元修改为虚拟时间步长的值，其余单元仍使用原来的时间步长进行计算.

2.3部分计算功能

JSTAMP/NV的部分计算功能是指当模具的局部形状发生更改时，可使用对应模具修改部分的板材网格进行计算，而无须重新计算全部板料，见图4.

2.4计算参数汇集功能的使用

JSTAMP/NV的计算参数汇集功能可批量设定新追加工序或现有工序计算参数，见图5.批量设定的计算参数从指定的文本文件（计算参数汇集文件）中读入.用户可以在工序流程面板新建某工序或右键选择已存在的工序，在弹出的快捷菜单栏中选择“计算参数汇集的使用”，该功能提供“快速”“标准”和“精确”等3种等级计算精度.根据仿真目的选择对应的精度等级，如在成型预测中选择粗算，在回弹、回弹补偿和表面质量评估中则选择精算.

2.5合适求解器的选择

对称多处理系统（Symmetric Multi Processing，SMP）在一台计算机上汇集一组紧耦合处理器，各个处理器之间共享内存、子系统和总线结构，因此其最大特点就是共享所有资源.相对于非对称多处理技术，SMP是应用十分广泛的并行技术.在SMP中，系统资源被系统中所有处理器共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器上.2～4个处理器对于计算速度的提高较好，当大于8个处理器时计算速度的提高达到饱和.

大规模并行处理系统（Massive Parallel Processing，MPP）由许多松耦合的处理单元组成.要注意的是，这里指的是处理单元而不是处理器.每个处理单元内的处理器都有自己私有的资源，如总线、内存和硬盘等；每个处理单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本.这种计算方式将模型分成多个域（见图6），每个处理器求解一个域，每个域的节点边界交换信息.与SMP相比，MPP交换信息较少，可以配置大于64个以上的处理器.SMP和MPP求解器计算时间对比见图7.

3结束语

在不增加计算机硬件配置的情况下，可以通过优化仿真参数在计算精度与计算时间之间寻求平衡，以在满足仿真需求的基础上合理利用计算资源，提升计算速度.同时，JSTAMP/NV也提供一些特殊功能用以进一步缩减计算机时，提升仿真效率.

（编辑于杰）