MPI并行计算在铸造充型模拟中的实现

论文摘要

在铸造领域中,铸件充型过程对铸件的质量有着重要的影响。采用数值计算方法,不仅可以模拟出液态金属在铸型中的流动状态,并根据模拟得到液态金属的流动速度,压力等变化规律优化浇冒口系统设计,防止浇道中吸气,消除流股分离现象以避免氧化,减轻液态金属对铸型的冲蚀,而且可以模拟出液态金属的温度分布,从而预测浇不足,冷隔等缺陷,为后续的凝固过程模拟分析提供条件。在串行程序的模拟下,所需的时间往往很长,严重延长了制定一个铸件最终工艺方案的过程。并行计算的应用正可为此问题的有效解决提供了有力的保证。并行计算,就是在具有多个CPU的并行计算机上进行并行程序设计,显式地说明计算中不同部分如何在不同处理器上同时执行,实现多组计算任务同时进行,使原来按序列依次进行的计算工作并行完成。与传统的串行计算相比,其优点是具有巨大的数值计算和数据处理能力,可以加快速度,节省投入,变相突破物理极限的约束。本文的并行硬件环境实现是由局域网中的三台不同体系结构的普通PC构成的异构机群平台,而并行软件环境是采用应用最广泛的标准化的消息传递并行语言库MPI的最新实现版本MPICH2和Visual C++6.0结合来实现。通过对某一铸件三维模型的均匀网格剖分,获取网格的相关数据并编写其读取程序。且在WINDOWS环境下用C++语言和MPI库函数对铸件充型过程中的数值模拟方法中的SOLA-VOF法的数学模型进行并行程序的设计。后通过程序的调用和调试,模拟铸件的充型过程。并基于所构建的并行环境,分别以不同节点数目和不同网格数目的组合来对铸件流场的MPI并行模拟算法进行效率测试。MPI并行化后的模拟计算有效的提高了模拟速度,且在同一计算规模下随着节点数的增多模拟速度得到了相应提高。证明了采用并行搜索模型算法在中小计算规模的情况下,能够较大的提高计算效率,减少计算时间。在异构的Windows机群平台上,用VC++6.0和MPICH2对金属充型过程流场模拟可以成功地进行并行程序开发,所开发地程序运行正常,并较好地提高了计算效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外研究现状
• 1.1.1 并行计算的发展概况
• 1.1.2 目前铸造领域充型过程的数值模拟情况
• 1.2 课题学术和实用意义
• 1.2.1 学术意义
• 1.2.2 实用意义
• 1.3 课题研究的目的，内容和技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 课题研究的创新之处和要解决的关键问题
• 1.4.1 创新之处
• 1.4.2 要解决的关键问题
• 2 MPI 并行编程技术
• 2.1 并行计算
• 2.1.1 并行计算模型
• 2.1.2 并行算法设计
• 2.1.3 并行计算性能评测
• 2.2 MPI 编程
• 2.2.1 MPI 介绍
• 2.2.2 MPI 通信方式
• 2.2.3 MPI 简单程序运行
• 2.3 本章小结
• 3 铸造充型模拟的前期处理
• 3.1 铸造充型过程的特点
• 3.2 铸造充型模拟的数值计算
• 3.2.1 数学模型的建立
• 3.2.2 控制方程的离散
• 3.2.3 流场的计算和自由表面的处理
• 3.2.4 其它问题的处理
• 3.3 本章小结
• 4 铸造充型模拟的串行程序实现
• 4.1 程序设计
• 4.2 程序编制
• 4.3 本章小结
• 5 铸造充型模拟的MPI 并行计算实现
• 5.1 MPI 并行环境构建
• 5.1.1 并行体系结构构建
• 5.1.2 并行编程MPICH2 的安装
• 5.2 流场模拟MPI 并行编程实现
• 5.2.1 流场模拟MPI 的并行算法选择
• 5.2.2 流场模拟MPI 的通信模式选择
• 5.2.3 并行文件I/O 的访问方式选择
• 5.3 流场并行模拟过程及结果
• 5.3.1 并行软件开发技术路线
• 5.3.2 流场并行模拟过程
• 5.3.3 流场并行模拟结果
• 5.3.4 影响并行效率的因素分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录