焊接過程仿真領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)問題及其初步研究

1、焊接過程仿真領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)問題及其初步研究                                             鹿安理史清宇趙海燕吳愛萍

2、蔡志鵬王 鵬 摘要：通過分析焊接過程仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出提高仿真方法的效率和精度是解決焊 接過程仿真技術(shù)的若干關(guān)鍵問題。同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展前沿進(jìn)行了幾項(xiàng)探 索性研究。這些研究包括網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，采用不同求解器對(duì)并行計(jì)算中并行 加速比影響的研究，以及材料高溫性能對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的影響等。在幾種方法中，網(wǎng) 格自適應(yīng)技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)有較好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用范圍。除對(duì)本研究組已開 展的工作進(jìn)行了一定的分析外，并對(duì)某些未來的研究發(fā)展方向進(jìn)行了初步的探討，這些可能 進(jìn)行的研究包括單元技術(shù)的開發(fā)、可行的結(jié)構(gòu)簡化方案、動(dòng)態(tài)區(qū)域分解算法的實(shí)現(xiàn)、分布式 并行處理

3、系統(tǒng)的建立和相似原理在焊接過程中的應(yīng)用等。關(guān)鍵詞：焊接過程；仿真；自適應(yīng)網(wǎng)格；并行計(jì)算中圖分類號(hào)：TG4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-132(2000)01-0201-05Key Techniques and Some Tentative Research of Welding Process SimulationLU AnliSHI QingyuZHAO Haiy anWU AipingCAI ZhipengWANG Peng（Tsinghua University,Beijing,China）Abstract:The latest development of welding proc

4、ess simulation is analyzed in the paper. It is pointed out that increasing the efficiency and pre cision of simulation is the key point in modeling of welding process. At the sam e time, some basic researches are explored based on the frontier of computer and simulation techniques in the paper. Thes

5、e researches include the exploration an d application of adaptive mesh, analysis of parallel speed-up ratio of computin g with different solvers, effects of material/s properties at high temperature o n calculating time and calculating precision. The adaptive mesh technique and pa rallel computing t

6、echnique have great potential and wide application among the a bove researches. Some new viewpoints are also discussed besides the development of researches already explored. The above mentioned aspects include exploring ne w elementary technique, possible scheme for simplifying the structure, achie

7、veme nt of dynamic area decomposing method, establishment of distributed parallel pro cessing system and application of similarity method in numerical simulation of w elding process.Key Words:welding process;numerical simulation;adaptive me shparallel computing焊接作為一門古老而充滿活力的學(xué)科，在材料加工領(lǐng)域一直占有重要的地位。而焊接 過

8、程數(shù)值模擬在材料熱加工領(lǐng)域數(shù)值模擬中具有很強(qiáng)的代表性。數(shù)值模擬技術(shù)作為使熱加工 過程從工藝走向科學(xué)的重要手段，在理論和實(shí)踐兩方面均有著十分重要的意義。然而由于物 理本質(zhì)的復(fù)雜性，焊接過程仿真技術(shù)的發(fā)展一直比較緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際生產(chǎn)需要和制造 業(yè)其它領(lǐng)域仿真技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，在軍工、能源、動(dòng)力等領(lǐng)域，關(guān)鍵部件焊接過程仿真技 術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于優(yōu)化工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，清除安全隱患等方面起著日益重要，甚至不 可替代的作用。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的飛速發(fā)展，解決焊接過程仿真問題的 條件不斷完善，而這一領(lǐng)域的許多技術(shù)基礎(chǔ)問題的研究也受到更多學(xué)者的關(guān)注1，2 。然 而，焊接過程的仿真，尤其是三

9、維結(jié)構(gòu)的仿真仍然存在著很大的困難，主要集中在以下幾個(gè) 方面：焊接結(jié)構(gòu)三維模型中自由度數(shù)目龐大；嚴(yán)重的材料非線性導(dǎo)致求解過程中的收斂困難；高溫區(qū)的存在使得控制數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性存在一定的困難。由此可見，焊接過程仿真技術(shù)的主要困難在于解題過程的高效性和解的精確性，而這兩個(gè)方 面又相互影響，互為矛盾。提高精度往往是以延長計(jì)算時(shí)間為代價(jià)的，因此在保證精度的前 提下，冗長的計(jì)算時(shí)間成了焊接過程仿真分析的最關(guān)鍵問題。本文在清華大學(xué)機(jī)械工程系進(jìn) 行的相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提高計(jì)算效率的若干途徑開展了 一定的基礎(chǔ)性研究工作，并對(duì)某些可能的途徑進(jìn)行了初步探討。1焊接過程仿真技術(shù)的發(fā)

10、展趨勢焊接過程仿真的發(fā)展是從解析方法開始的。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，逐步過渡 到采用有限差分法和有限單元法。在近幾年的發(fā)展中，有限單元法逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。 分析規(guī)模均是從一維發(fā)展到二維，進(jìn)而發(fā)展到三維。目前，由 于三維焊接過程的仿真分析難度很高，研究者經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行一些簡化處理，其中比較有代表 性的是固有應(yīng)變法3。該方法通過在大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的假設(shè)條件，將瞬 態(tài)熱彈塑 性分析轉(zhuǎn)化為靜態(tài)純彈性力學(xué)問題，可以大幅度地減少計(jì)算時(shí)間，且結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性 。但隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，該方法需要積累在新材料、新工藝基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律 ， 這在目前計(jì)算機(jī)技術(shù)和焊接生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展水平下，已無法滿

11、足理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐的需要 。而且，由于該方法以在生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)上建立的假設(shè)條件為基礎(chǔ)，對(duì)于通過優(yōu)化工藝來改善焊后 應(yīng)力狀態(tài)的要求也難以滿足。而目前制造業(yè)仿真分析的發(fā)展趨勢是，建立盡可能精確的物理 模型，獲得精確的結(jié)果，進(jìn)而全面科學(xué)地分析過程的物理本質(zhì)4，5。與之相適 應(yīng)，焊接 過程仿真的發(fā)展方向也在于建立精確的物理模型，獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，在充分分析焊接過程物 理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝?；谝陨戏治?，本文對(duì)焊接過程仿真領(lǐng)域中圍繞提高計(jì)算效率的問題進(jìn)行了初步研究，并對(duì) 某些其它影響焊接過程數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間的因素進(jìn)行了討論。2網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)在焊接過程仿真中的應(yīng)用6本工作在商用軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)專用用戶子程

12、序，使網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)更趨完善，并應(yīng)用于 焊接過程的三維數(shù)值模擬中。在焊接過程中，只有局部區(qū)域的金屬經(jīng)歷了快速的溫度變化過 程，并產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，結(jié)合動(dòng)態(tài)分析，在每個(gè)時(shí)刻只有電弧附近的區(qū)域處在高溫度 梯度范圍內(nèi)。因此，本工作將網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于焊接過程中，使指定區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分 較密，其它區(qū)域網(wǎng)格劃分則較稀疏，而這個(gè)指定區(qū)域隨著焊接熱源同步移動(dòng)。這樣，即使在 焊縫區(qū)，只要不在熱源附近，也處于網(wǎng)格劃分較稀疏的狀態(tài)，這就大大地減少了單元和節(jié)點(diǎn) 的數(shù)目，縮短了計(jì)算時(shí)間。圖1a、圖1b所示分別為采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)和不采用網(wǎng)格自適 應(yīng)技術(shù)時(shí)的網(wǎng)格劃分，圖1c為采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)下時(shí)間步為50的網(wǎng)格

13、劃分圖。自適應(yīng)網(wǎng)格的應(yīng)用分三步。首先，隨時(shí)間步的增加，使假設(shè)存在的盒子按預(yù)先設(shè)定的速 度移動(dòng)。然后，原有的網(wǎng)格按照一定的誤差準(zhǔn)則重新劃分，成為新網(wǎng)格。本文中的空間相對(duì) 位置誤差準(zhǔn)則是，在空間位置上進(jìn)入假定盒子內(nèi)的單元全部自動(dòng)重新劃分。同時(shí)，一些已經(jīng) 細(xì)分的網(wǎng)格在同一時(shí)間步離開盒子，又要還原成較疏的網(wǎng)格。最后，在增量分析中，原網(wǎng)格 中的場變量要映射到新網(wǎng)格中去。在下一增量步的分析中以本增量步的結(jié)果作為初始條件。 新生成單元上的每個(gè)積分點(diǎn)上的變量必須從舊網(wǎng)格中的相應(yīng)數(shù)據(jù)獲得。舊單元積分點(diǎn)上 的變量首先外推到舊網(wǎng)格上，然后對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，周圍所有單元上的相關(guān)變量值需要在此節(jié) 點(diǎn)上平均，從而獲得舊單元節(jié)

14、點(diǎn)上的變量值。新單元的積分點(diǎn)位于舊網(wǎng)格的單元內(nèi)，先確定 其坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，新單元積分點(diǎn)上的變量值通過在舊單元節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行插值獲得。 在研究中發(fā)現(xiàn)，采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)后，計(jì)算結(jié)果與不采用此方法時(shí)存在著一定的誤差，主 要是焊接過程中的瞬態(tài)應(yīng)力存在著較大的差異，而變形過程和殘余應(yīng)力分布的誤差則很小， 基本可以忽略。但在計(jì)算時(shí)間的對(duì)比上，在本文所進(jìn)行的計(jì)算中，采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)可以 節(jié)約1/3左右的計(jì)算時(shí)間。在研究中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)遠(yuǎn)未開發(fā)到最完善的地步，經(jīng)過努力，還可以大幅度提高計(jì) 算效率。并且，焊縫越長，網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢會(huì)越明顯。3并行計(jì)算在焊接過程仿真中的應(yīng)用并行計(jì)算技術(shù)是目前有限元分析

15、中縮短計(jì)算時(shí)間的主要手段之一。目前，由于研制新型芯片 所需的費(fèi)用越來越龐大，提高計(jì)算機(jī)性能的主要方向即為采用并行技術(shù)。但由于并行程序編 制的復(fù)雜性及其與硬件的相關(guān)性，目前這方面的進(jìn)展一直較慢，即使如世界上著名的一些軟 件，如Abacus、Ansys、Adina等迄今也尚未開發(fā)出并行版本。本文在SGI公司的Origin2000服務(wù)器上，應(yīng)用商用軟件Marc對(duì)并行計(jì)算的效率以及選用求解 器的種類在各種不同匹配下的計(jì)算時(shí)間進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果見表1。同時(shí)，由計(jì)算時(shí)間所 推出針對(duì)各種求解器不同cpu個(gè)數(shù)時(shí)的加速比見表2。表1不同類型求解器與cpu匹配計(jì)算時(shí)間單位：s 求解器類型  

16、          1cpu        2cpu        3cpu          4cpu Direct sparse       38792.90    19140.81&#

17、160;   12876.02      9844.03  s Iterative sparse    39922.07    21428.96    149 65.19     11345.68 Hardware sparse     32341.59    15332.17    10

18、43 3.55     8106.96 Direct profile      123387.63   43012.26    2778 8.29     19284.35 表2同類型求解器與cpu匹配條件下的加速比求解器類型             1cpu   &#

19、160;   2cpu         3cpu         4cpu Direct sparse          1          2.02       &#

20、160; 3.01         3.94 Iterative sparse       1          1.86         2.67         3.52 Hardware sparse&#

21、160;       1          2.11         3.10         3.99 Direct profile         1    

22、0;     1.94         3.00         4.32 上述加速比分別以每種類型求解器單cpu時(shí)運(yùn)行速度為基數(shù)，結(jié)合表1可以反應(yīng)出求解過程中 的最佳組合。從表2的結(jié)果可以看出，加速比與cpu個(gè)數(shù)相差無幾，加速性能極為優(yōu)越。本文 由于硬件條件的限制，只進(jìn)行了最多4個(gè)cpu條件下的分析，而隨著cpu數(shù)的增加，并行計(jì)算 的優(yōu)越性會(huì)更加明顯。目前，多cpu計(jì)算機(jī)已不罕見，而隨cpu數(shù)目

23、的增加，對(duì)并行計(jì)算軟件 的要求也相應(yīng)提高，如何對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行合理分配是多cpu條件下并行計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)問 題。目前，本研究組正在IBM公司的SP2計(jì)算機(jī)上進(jìn)行16cpu并行計(jì)算問題的研究。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能微機(jī)并行技術(shù)受到更多的關(guān)注，隨著合適的 高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)的研制成功，高性能微機(jī)并行技術(shù)已經(jīng)變得切實(shí)可行，一方面計(jì)算效率 并未降低，另一方面費(fèi)用大幅度減少，使更大規(guī)模的并行計(jì)算不致耗資過分龐大。無論在數(shù) 值計(jì)算領(lǐng)域還是計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，分布式并行計(jì)算系統(tǒng)都顯示出了極大的發(fā)展?jié)摿Γ?后文對(duì)此作進(jìn)一步探討。 4高溫性能參數(shù)對(duì)焊接過程仿真結(jié)果影響的研究材料的高溫性能參數(shù)對(duì)焊

24、接過程數(shù)值模擬的結(jié)果和計(jì)算過程均有較大的影響，因此也必然要 對(duì)數(shù)值模擬的精度和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。而材料高溫性能方面的數(shù)據(jù)又非常匱乏，并且實(shí)驗(yàn)結(jié) 果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性也比較差，因此本文對(duì)材料高溫性能對(duì)數(shù)值模擬的影響也在精度和效率 兩方面進(jìn)行了初步的探討。材料在足夠高的溫度下，屈服極限和彈性模量等重要參數(shù)的數(shù)值將失去其實(shí)際物理意義，但 由于焊接過程的數(shù)值模擬基本上是以彈塑性理論為基礎(chǔ)的，因此這些參數(shù)必須是非零值，而 這些參數(shù)取值過小會(huì)導(dǎo)致收斂的困難，并且即使收斂也會(huì)使計(jì)算時(shí)間大幅度增加，參數(shù)取值 偏大又會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，雖然材料高溫性能的實(shí)際物理意義比較模糊，但本文仍 在虛擬的基礎(chǔ)上對(duì)材料高溫

25、性能參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。本文的工作是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，以材料屈服極限為例，進(jìn)行了不同材料高溫性能參數(shù)時(shí) 計(jì)算結(jié)果和時(shí)間的對(duì)比性研究。分析本身就是建立在一定的假設(shè)條件基礎(chǔ)上的，結(jié)果反映的 是一定假設(shè)條件下參數(shù)不同取值時(shí)的影響。在研究過程中采用4種材料屈服極限。在各方案中材料高溫屈服強(qiáng)度的取值見圖2，圖中方案 0中數(shù)據(jù)6001400為插值法獲得，1900的數(shù)據(jù)為外圖2材料性能參數(shù)隨溫度變化方案推法獲得，其余選自文獻(xiàn) 7。方案1將900以上的屈服極限提高到和900時(shí)相等的水平，屈服極限的絕對(duì)值 改變了約148%590%（11001410），但相對(duì)室溫時(shí)的最大屈服極限值而言只改變了約7. 9%。方

26、案2將600700間的材料屈服極限迅速降低至1410附近的水平，屈服極限在變化 的溫度范圍內(nèi)相對(duì)值變化最大約為88%（700處）。相對(duì)于室溫時(shí)的屈服極限值，變化 最大處改變了約23%。方案3將1300以上的屈服極限提高至1300的水平，相對(duì)該溫度區(qū)間 內(nèi)的屈服極限值改變了約650%。4種方案下計(jì)算所用cpu時(shí)間分別為307 296 s、277 560 s 、353 772 s和280 368 s。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于上述4種方案，在應(yīng)力和位移的計(jì)算結(jié)果中，縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力變化 和 橫向位移變化均無差異，僅縱向位移變化產(chǎn)生了一定的變化，與方案0相比，方案1變化了16 .7%，方案2變化了7%，而

27、方案3則幾乎無差別。結(jié)合計(jì)算時(shí)間的對(duì)比，可以看出對(duì)材料高 溫性能參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整不僅不會(huì)影響計(jì)算的精度，而且能夠提高計(jì)算效率。5未來應(yīng)重點(diǎn)研究的幾個(gè)問題目前實(shí)際結(jié)構(gòu)焊接過程的數(shù)值模擬研究雖然取得了很大的進(jìn)展，但仍存在許多問題。首先在 建立科學(xué)而精確的物理模型方面還需要做大量的基礎(chǔ)性研究工作，其次對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果如何 進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以保證其準(zhǔn)確性也有待加強(qiáng)8。然而，即使在目前建立的近似模型條 件下，焊 接過程數(shù)值模擬的主要矛盾也在于冗長的計(jì)算時(shí)間。在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中，即使結(jié)構(gòu)尺寸較小 ，在采用上述某些技術(shù)的條件下，計(jì)算時(shí)間仍冗長。為進(jìn)一步大幅度地縮短計(jì)算時(shí)間，除 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而提高計(jì)算速度外

28、，下述幾個(gè)問題應(yīng)屬未來需重點(diǎn)研究的。5.1單元技術(shù)的開發(fā)單元技術(shù)一直是有限元技術(shù)的核心問題之一，通過開發(fā)合適的單元技術(shù)是提高有限元計(jì)算效 率的主要方法。新單元的開發(fā)一般均針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)而確定，而焊接問題的復(fù)雜性表現(xiàn)在其 工藝過程的特點(diǎn)上，因此適用于焊接過程仿真分析的單元應(yīng)該針對(duì)焊接工藝過程而開發(fā)。焊 接過程的特點(diǎn)是快速的局部加熱和冷卻及其導(dǎo)致的局部區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的急劇變化，對(duì)焊接過 程的仿真分析而言，焊縫附近的單元并非在焊接全過程中都經(jīng)歷著復(fù)雜的溫度和應(yīng)力變化， 而只是在很短的時(shí)間范圍內(nèi)經(jīng)歷了這種變化，因此完全可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，開發(fā)新型單元， 充分體現(xiàn)單元在大部分時(shí)間內(nèi)求解量保持相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，

29、簡化計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)提高計(jì)算效 率 的目的。國外一些研究機(jī)構(gòu)在大型商用軟件Abacus的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適于焊接過程的單元技 術(shù)，使單元尺寸大幅度增加的同時(shí)，仍能夠反應(yīng)焊接過程中的高梯度溫度和應(yīng)力變化，大大 地縮短了計(jì)算時(shí)間，但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今尚無報(bào)道。5.2可行的結(jié)構(gòu)簡化方案一般的結(jié)構(gòu)簡化方案主要指將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，或者忽略結(jié)構(gòu)上的非關(guān)鍵部件，這 些方面已經(jīng)有較多的研究。本文所探討的結(jié)構(gòu)簡化方案不包括上述方法，而是針對(duì)焊接結(jié)構(gòu) 的 特點(diǎn)而提出的。從焊接過程力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)分析，可以將其看作在一個(gè)大的彈性體上發(fā)生局 部區(qū)域的熱彈塑性變形，而且在焊接全過程中，發(fā)生局部熱彈塑性變形的區(qū)域

30、只占焊接結(jié)構(gòu) 整體的一小部分，因此完全可以將發(fā)生熱彈塑性變形的局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，而純彈 性區(qū)域以非常稀疏的網(wǎng)格反映。在此前這種劃分方法受到網(wǎng)格協(xié)調(diào)性的限制，從精細(xì)區(qū)到稀 疏區(qū)需要逐步過渡，限制了網(wǎng)格數(shù)量減少的速度。而有限元技術(shù)的最新進(jìn)展可以采用接觸技 術(shù)，無需網(wǎng)格的逐步過渡，僅需要通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，將不協(xié)調(diào)的節(jié)點(diǎn)固定在相鄰的指定區(qū)域 上，則可以大幅度減少節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)目，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。該方案對(duì)計(jì)算效率和求解精度的定 量影響目前正在研究中。5.3動(dòng)態(tài)區(qū)域分解算法的實(shí)現(xiàn)這種方法僅是針對(duì)焊接過程的特點(diǎn)而提出的設(shè)想，目前尚未見諸報(bào)道。焊縫金屬及附近的全 部單元都經(jīng)歷了快速加熱和冷卻的過程，但在任何

31、一個(gè)特定的時(shí)刻，都只是一小部分單元處 于溫度和應(yīng)力急劇變化過程中，而其它單元卻在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。同時(shí)這些溫度和應(yīng) 力急劇變化的單元在不同的時(shí)刻是動(dòng)態(tài)變化的。并行計(jì)算中的一個(gè)主要方法是區(qū)域分解算法 。而這種算法主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行的，因此在求解的全部時(shí)間域都是靜態(tài)的 ，應(yīng)用于焊接過程的數(shù)值模擬中，必然要導(dǎo)致效率的降低，而動(dòng)態(tài)區(qū)域分解算法針對(duì)有限元 網(wǎng)格中與求解相關(guān)的各物理量的動(dòng)態(tài)分布情況，而改變區(qū)域分解方案，則可以避免這種問題 ， 提高計(jì)算效率。同時(shí)，如果動(dòng)態(tài)區(qū)域分解算法與網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，可以更進(jìn)一步發(fā)揮 兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，將計(jì)算效率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。然而該領(lǐng)域的研究涉及到有限元算法的

32、核心 部分，從根本上改變了程序結(jié)構(gòu)，將耗費(fèi)大量的工作。5.4分布式并行處理系統(tǒng)的建立僅僅在兩年前，并行系統(tǒng)的概念還主要是指并行計(jì)算機(jī)。但隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的迅猛 發(fā)展，分布式的并行處理系統(tǒng)正逐漸成為并行系統(tǒng)的主流。分布式并行處理系統(tǒng)的優(yōu)越性主 要體現(xiàn)在高性能價(jià)格比和靈活性上。隨著微機(jī)性能的提高和價(jià)格的下降，并行的微處理機(jī)系 統(tǒng)吸引了大量數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域研究人員的興趣，國內(nèi)外科研人員紛紛進(jìn)行分布式并行微機(jī)系統(tǒng) 的研制。國外有的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)初步完成了階段性的工作，對(duì)比結(jié)果表明，分布式并行微處 理機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到極高的計(jì)算速度，而價(jià)格比同樣性能的并行計(jì)算機(jī)至少低一至兩個(gè)數(shù)量級(jí) 。在創(chuàng)造出高性能價(jià)格比的

33、同時(shí)，分布式并行系統(tǒng)的擴(kuò)展也非常方便，可以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 的發(fā)展而擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模，或在已有的基礎(chǔ)上更新?lián)Q代。因此開發(fā)高性能的分布式并行處理系 統(tǒng)，以及在此平臺(tái)上運(yùn)行的并行程序，已經(jīng)成為整個(gè)數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域的主流。在分布式并行處 理系統(tǒng) 的開發(fā)中，高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)和并行操作平臺(tái)是兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)然，應(yīng)用軟件本身 也需要支持分布式并行計(jì)算。5.5相似理論在焊接過程數(shù)值模擬中的應(yīng)用及相應(yīng)的熱源和單元技術(shù) 由于焊接過程的復(fù)雜性，在提高計(jì)算效率和精度的同時(shí)，同樣有必要引入相似理論。雖然其 最初是為了物理模擬的需要，但由于相似條件的苛刻，在實(shí)驗(yàn)中達(dá)到這一目的是比較困 難的，因此本研究組進(jìn)行了初步的將相似理論結(jié)果應(yīng)用于數(shù)值模擬中的研究。理論推導(dǎo)表明 ，在減小結(jié)構(gòu)尺寸的條件下，熱源的幾何尺度也要相應(yīng)減小。為了能夠仍然準(zhǔn)確地描述溫度 場，對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分也必須相應(yīng)密集，則最終有限元網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)與原 結(jié)構(gòu)一致，在數(shù)值模擬中花費(fèi)的時(shí)間也一致。因此，該相似關(guān)系雖然減小