现代运载工具碰撞仿真的CPU/GPU异构并行计算方法研究

Crashworthiness simulation is recognized as one of the most important technologies in the design of safety of modern vehicles. The applicability of the crashworthiness simulation is solely dependent on the calculation efficiency, considering that the complex nonlinear calculation is present. This project is intended to construct a hybrid heterogeneous computing model for large-scale crashworthiness simulation applications, on the basis of CPU/GPU heterogeneous computing platforms. Meanwhile, in line with the engineering requirements, this project aims at establishing a whole process GPU-based parallel hybrid precision calculation method for nonlinear analysis of plate and shell structures and contact calculation. Subsequently, integrating the coarse-grained parallel computing method enables a highly integrated heterogeneous parallel computing method. Hence, the major research includes the hybrid precision calculation method on GPU, the fine GPU parallel computing method of explicit finite element method, and the localized fine-grained parallel computing method of contact calculation, respectively. Finally, an autonomous crashworthiness simulation software is developed in Tianhe-1A, while the simulation studies of vehicle crashworthiness and train crashworthiness are carried out. The completion of this project will provide an independent, high-performance, and green computing solution for crashworthiness analysis. In addition, the research outcomes will significantly facilitate the independent research and design of modern vehicles.

碰撞仿真是现代运载工具碰撞安全性设计中的核心技术，复杂的非线性计算特征使得计算效率直接决定了碰撞仿真在现代设计流程中的应用水平。本项目面向CPU/GPU异构计算平台，构建适用于大规模碰撞仿真应用的混合异构计算模型，并结合实际工程需求，系统性地研究板壳结构非线性分析和接触计算全流程GPU并行的混合精度计算方法。进一步，与粗粒度并行计算方法深度耦合，形成高集成度的碰撞仿真异构并行计算方法。具体需要突破效率与精度兼顾的GPU混合精度计算方法、显式有限元的精细化GPU并行计算方法、接触计算的完全局部化及其细粒度并行计算方法等难点。本项目基于天河一号对并行算法进行系统集成，形成自主碰撞仿真软件，并通过整车碰撞和列车追尾的仿真计算以及与商业软件的对标分析，实现对算法和软件的验证与改进。本项目的完成将为碰撞仿真分析提供一种自主的高性能绿色计算手段，从而提升我国现代运载工具的自主研发能力。

本项目面向汽车、轨道交通、航空航天等运载工具碰撞仿真等非线性接触碰撞问题对高效计算工具的迫切需求，提出了板壳结构非线性有限元分析和接触计算的全流程多GPU并行混合精度计算方法。在非线性有限元高效率多GPU细粒度并行计算方法、面向GPU的混合精度计算方法、接触计算的多GPU并行计算方法等科学问题上取得了一批有特色、有影响的成果，有效提升了非线性接触碰撞问题仿真计算效率。最终，通过成果集成和软件开发，开发了一个具有原始创新和实用价值的基于GPU的接触碰撞问题仿真计算平台，该平台具有与商业CAE软件通用的前后处理接口，完成了200多个模型的应用迭代，汽车碰撞等问题完成了与LS-DYNA软件的对标分析，手机跌落等问题完成了与ABAQUS软件的对标分析。项目组共发表SCI论文5篇，获得了3项具有自主知识产权的软件著作权，以及授权发明专利1项。完成了计划书中约定的各项研究目标。本项目的理论研究成果可以提高我国高性能并行计算的总体研究水平，而且为开发我国自主的CAE分析软件，打破国外 CAE 技术的垄断提供新的理论和方法支持。相关成果在上汽通用五菱、华为等国内企业得到初步应用，并且作为核心技术成果之一打包实现了技术成果转化。