有限元分析软件ANSYS计算速度探究

张瀚文 司永宏

摘要：随着计算机模拟仿真技术地不断进步，在实际工程实践中越来越多的领域都应用到有限元分析软件，ANSYS作为有限元分析软件的代表，在解决技术问题中有着广泛的应用;在利用ANSYS WORKBENCH模拟缠绕式气瓶工作状态时，工作站分别采用了机械硬盘、固态硬盘、内存作为模拟文件的存储介质对同类模拟文件进行计算并对比其计算速度、硬盘最高占用率;同时分析对比了調用不同中央处理器核数对计算速度影响，并给出工作站资源调配优化方案。

关键词：有限元分析;缠绕式气瓶;硬盘;内存;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

有限元模拟仿真技术作为科学研究的重要手段对解决科学技术问题有着举足轻重的作用[1]，ANSYS为是世界范围内影响广泛的计算机辅助工程（CAE）软件，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用[2-7]。同济大学杨楠研究了 ANSYS中的非线性收敛与网格精度、边界条件、整体运算时间和载荷步等一系列因素关系问题[8]。

利用ANSYS计算工程问题，往往会花费很多时间，研究不同存储介质、不同中央处理器核数对ANSYS计算时间的影响有利于优化调配硬件以供有限元分析软件运行，为有效缩短模拟分析时间提供了思路。

2 计算模型

气瓶三维透视图如图1所示;该气瓶封头内外表面为不同心圆弧，对气瓶采用T1000碳纤维/环氧树脂复合材料进行全缠绕自紧，其缠绕厚度为6.71mm，气瓶瓶塞厚度为16mm。

本模型旨在研究不同自紧压力与内部压力对材料应力强度分布的影响，进而根据材料应力强度情况判断设备安全状态，最后达到确定合理自紧压力与内部压力的目的。

3 计算时间与不同存储介质的关系

利用第2节所述模型在如表1配置、操作系统为WIN10的工作站中运算。分为2组运算试验包括线性网格与非线性网格计算文件存储在机械硬盘、固态硬盘、利用内存虚拟出的硬盘中进行运算。

3.1 线性网格计算文件在不同存储介质的计算速度对比

本组运算的模拟计算文件分别在机械硬盘、固态硬盘、利用内存虚拟出的硬盘中存储读写运算，其网格为线性网格，节点数为190874个，调用CPU核数为22枚，运算时间、最高占用率如表2所示。

由表2所得，内存虚拟硬盘速度略比固态硬盘和机械硬盘运算时间短，而机械硬盘与固态硬盘运算时间几乎相同。

3.2 非线性网格计算文件在不同存储介质的计算速度对比

本组运算的模拟计算文件分别在机械硬盘、固态硬盘、利用内存虚拟出的硬盘中存储读写运算，将上一组计算文件中线性网格设置为非线性网格时，其节点数自动变化为822579个，调用CPU核数为22枚，运算时间、最高占用率如表3所示。

通过上表可发现计算文件利用内存虚拟硬盘作为存储介质时，其计算时间比存储在固态硬盘要快近35%，比存储在机械硬盘快约47%。

3.3 结果分析

通过上述试验结果得出，当总体计算时间较短时，由于主要依靠存储介质读写速度决定运算速度的计算步占用整体计算时间比例不大，因此内存虚拟硬盘节约的时间并不明显;当当总体计算时间较长时，由于主要依靠存储介质读写速度决定运算速度的计算步占用整体计算时间比例提高，内存虚拟硬盘节约运算时间效果提高。

4 计算时间与计算文件调用CPU核数关系

利用第2节所述模型，网格采用线性网格，分别调用CPU18核、14核、10核、6核、2核、1核对其进行运算，计算文件运算时间与核数之间关系如图2所示。

由图2可知，在前文所述计算条件下，随着调用CPU核数的增加，所需运算时间越来越短，但缩短的比例越来越小。调用CPU核数达到10核时，核数的增加没有明显的缩短运算时间。

5 结论

通过上述试验结果得出利用内存虚拟硬盘技术可以提高ANSYS在计算机中的总体运行速度，在网格为非线性、运算规模较大时速度提升效果较为明显。

在利用ANSYS进行多组模拟试验时，可利用内存虚拟硬盘技术虚拟出多个硬盘作为计算文件存储介质，避免实体硬盘因磁盘占用率过高影响总体计算速度。

探究出针对本运算环境下较为高效的调用CPU核数，对工作站的使用配置提供了思路。

综上所述，工作站资源调配优化方案为：在计算线性网格模型时，表1所述工作站可利用虚拟硬盘技术装载出2个30G硬盘，将计算文件分别存储在机械硬盘、固态硬盘、2个内存虚拟硬盘共4个存储介质上，4个计算文件调配CPU核数都设置为6枚，4个人计算文件同时运行计算，经试验，四个计算文件同时运行11m45s后，四个计算文件都完成运算，比单一计算文件每次调用全部CPU内核计算4次快12m13s;当计算机处于较长时间无人干预时可采用多利用内存虚拟硬盘、每个计算文件降低CPU调用核数以达到多个计算文件同时计算的目的。

参考文献：

[1] 薛展仁，韦寿祺，李曌.多相绕组电子束偏转扫描装置仿真分析[J].真空科学与技术学报，2020，40（5）：465-470.

[2] Haiong.关于中国期刊标准[EB/OL]. https：//baike.baidu.com/item/ansys.

[3] 吴刚.基于ANSYS Workbench双列调心滚子轴承接触特性模拟仿真[J].煤矿机械，2020，41（6）：191-193.

[4] 白鸿宇，赵超凡，罗沪生，等.基于ANSYS有限元软件的桥梁结构拓扑优化[J].山西建筑，2020，46（12）：54-56.

[5] 刘轩，潘菲，杨荣乾，等.含导流片的双钝体驻涡燃烧室钝体形状与布置对冷态流场的影响[J].节能，2020，39（5）：105-107.

[6] 张凤军，唐骁，陈坚.基于Ansys热仿真的航天光模块的热设计[J].光通信技术，2018，42（3）：36-38.

[7] 王泽军，许崇涛，陈志刚.12Cr1MoVG高温管道中异种钢焊缝引起的局部热应力[J].压力容器，2019，36（8）：50-56.

[8] 楊楠.CAE软件操作小百科（47）[J].计算机辅助工程，2019，28（2）：74-75.

【通联编辑：梁书】