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作者简介：陈高杰（1981-），男，湖北谷城人，硕士，助理工程师，主要从事水下爆炸仿真与评估研究
摘 要：为提高水下爆炸仿真计算效率，对集群系统进行水下爆炸仿真进行了研究，构建了适用于水下爆炸仿真的高性能计算平台，并基于ABAQUS非线性有限元分析软件进行并行计算，结果表明集群系统大幅提高了计算效率，为开展水下爆炸大规模仿真研究提供参考。
关键词：集群 水下爆炸 并行计算
中图分类号: TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)02(c)-0000-00
实船水下爆炸试验实施难度大，耗费多，同时对环境造成不利影响，无法大规模组织开展。因此，美国等发达国家十分重视水下爆炸仿真技术研究，开发了水下爆炸冲击分析（USA）模块与商业软件相结合的分析技术。国内则主要利用商业软件进行实船水下爆炸数值仿真研究，但整船建模和计算对系统要求大，尤其是大量水域网格的创建经常会耗费惊人的计算资源。集群系统为此方面的应用提供了良好的平台。
1水下爆炸仿真技术
水下爆炸仿真通常需要进行预应力分析、模态分析、稳态动力学等隐式有限元分析（IFEA）和瞬态动力学显式有限元分析（EFEA），对CPU和内存的要求都很高。
ABAQUS非线性有限元分析軟件利用声固耦合法进行水下爆炸仿真。建模过程中规模庞大的流体水域用声学单元来描述，由于爆炸冲击波反射引起的散射波分量对舰船冲击响应分析十分重要，在仿真中使用TIE约束将结构湿表面与流体干表面耦合在一起。计算可采用总波公共法和散射波公式法。当考虑水介质的空化效应使声学介质表现为非线性时必须使用总波公式。
2 集群系统
集群系统是指将多个服务器集中执行同一服务，以单个服务器的形式运行，各服务器之间通过高速互连网络进行通信，系统管理人员利用KVM交换机直接连接键盘、视频和鼠标端口对系统进行访问和控制。系统按照功能可分为高性能计算集群系统、高可用性集群系统、负载均衡集群系统。
2.1总体架构
水下爆炸高性能计算集群系统硬件通常由机柜、管理节点服务器、计算节点服务器、图形工作站、互连网络、存储系统、集群附属设备等组成。软件通常由操作系统软件、集群中间件（如并行通信库、数学库、编译调试环境、管理系统等）、用户应用软件（如ABAQUS）等组成。
2.2服务器节点
管理节点服务器采用基于共享内存处理（SMP）技术的胖节点，采用CPU高速直连，内存大且访问带宽高，磁盘IO快，通信延迟低，软件运行效率高，并配置高性能图形显卡用于精细模型的前后处理操作。计算节点采用刀片式服务器。可整合集中计算一个任务或分为多个作业群运行多个任务。
2.3互连网络
互连网络采取高速计算网和管理网分离的方式，避免数据干扰。高速计算网采用20Gb/s高速Infiniband网，用于水下爆炸高性能并行计算时的数据交换和计算通讯。管理网采用千兆以太网，用于监控管理方面的数据通讯。
2.4存储系统
存储系统由IO节点存储服务器和存储磁盘阵列构成。IO节点存储服务器将存储磁盘阵列的存储空间映射为服务器节点上的目录，实现较均衡的I/O带宽和良好读写性能，满足大规模数据处理的要求。
2.5操作系统
操作系统采用64位Linux操作系统。通常情况下Linux操作系统的运行效率比Windows Server操作系统高1.12%，且稳定性好，磁盘操作机制强。
3计算效率测试
3.1 Linpack测试
Linpack测试通过对高性能计算集群系统采用高斯消元法求解一元N次稠密线性代数方程组的测试来评价高性能计算机的浮点性能，实测浮点峰值即为Linpack值[3]。128核集群系统的Linpack值为1139Gflogs，并行计算效率为74.2%
3.2 舰船抗冲击应用实例测试
利用集群系统进行舰船抗冲击的非接触水下爆炸数值仿真。计算模型包括约22万S4R舰船结构壳单元、1.1万加强结构梁单元和230万AC3D6R（或AC3D4）水域声学单元。由于计算规模较大，普通单机无法运行，利用集群单核计算时间为21.5h，而128核并行计算时间仅为2.3h，加速比达到9.35。
4 结语
高性能计算集群系统可以完成普通单机无法运行的水下爆炸仿真计算任务，并且采用多核并行计算的方式可极大地提高计算效率，缩短计算时间。随着计算需求的不断扩大，集君系统将在舰般抗爆抗冲击仿真研究中发挥更大的作用。
参考文献
[1]Young S. Shin. Ship shock modeling and simulation for far-field underwater explosion[J]. Computers and Structures, 2004,82: 2211–2219
[2]李硕等. 高性能计算机体系结构综述[J]. 北京工商大学学报（自然科学版）, 2007,25(6): 48-52
[3]余江洪等.基于Linpack的高性能计算机集群的并行性能测试[J]. 船电技术, 2009,29(5): 56-60:
[4]阚圣哲等.基于Abaqus 软件的并行计算集群平台构建与优化方法[J]. 防灾减灾工程学报,2009,29(6):644-650
摘 要：为提高水下爆炸仿真计算效率，对集群系统进行水下爆炸仿真进行了研究，构建了适用于水下爆炸仿真的高性能计算平台，并基于ABAQUS非线性有限元分析软件进行并行计算，结果表明集群系统大幅提高了计算效率，为开展水下爆炸大规模仿真研究提供参考。
关键词：集群 水下爆炸 并行计算
中图分类号: TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)02(c)-0000-00
实船水下爆炸试验实施难度大，耗费多，同时对环境造成不利影响，无法大规模组织开展。因此，美国等发达国家十分重视水下爆炸仿真技术研究，开发了水下爆炸冲击分析（USA）模块与商业软件相结合的分析技术。国内则主要利用商业软件进行实船水下爆炸数值仿真研究，但整船建模和计算对系统要求大，尤其是大量水域网格的创建经常会耗费惊人的计算资源。集群系统为此方面的应用提供了良好的平台。
1水下爆炸仿真技术
水下爆炸仿真通常需要进行预应力分析、模态分析、稳态动力学等隐式有限元分析（IFEA）和瞬态动力学显式有限元分析（EFEA），对CPU和内存的要求都很高。
ABAQUS非线性有限元分析軟件利用声固耦合法进行水下爆炸仿真。建模过程中规模庞大的流体水域用声学单元来描述，由于爆炸冲击波反射引起的散射波分量对舰船冲击响应分析十分重要，在仿真中使用TIE约束将结构湿表面与流体干表面耦合在一起。计算可采用总波公共法和散射波公式法。当考虑水介质的空化效应使声学介质表现为非线性时必须使用总波公式。
2 集群系统
集群系统是指将多个服务器集中执行同一服务，以单个服务器的形式运行，各服务器之间通过高速互连网络进行通信，系统管理人员利用KVM交换机直接连接键盘、视频和鼠标端口对系统进行访问和控制。系统按照功能可分为高性能计算集群系统、高可用性集群系统、负载均衡集群系统。
2.1总体架构
水下爆炸高性能计算集群系统硬件通常由机柜、管理节点服务器、计算节点服务器、图形工作站、互连网络、存储系统、集群附属设备等组成。软件通常由操作系统软件、集群中间件（如并行通信库、数学库、编译调试环境、管理系统等）、用户应用软件（如ABAQUS）等组成。
2.2服务器节点
管理节点服务器采用基于共享内存处理（SMP）技术的胖节点，采用CPU高速直连，内存大且访问带宽高，磁盘IO快，通信延迟低，软件运行效率高，并配置高性能图形显卡用于精细模型的前后处理操作。计算节点采用刀片式服务器。可整合集中计算一个任务或分为多个作业群运行多个任务。
2.3互连网络
互连网络采取高速计算网和管理网分离的方式，避免数据干扰。高速计算网采用20Gb/s高速Infiniband网，用于水下爆炸高性能并行计算时的数据交换和计算通讯。管理网采用千兆以太网，用于监控管理方面的数据通讯。
2.4存储系统
存储系统由IO节点存储服务器和存储磁盘阵列构成。IO节点存储服务器将存储磁盘阵列的存储空间映射为服务器节点上的目录，实现较均衡的I/O带宽和良好读写性能，满足大规模数据处理的要求。
2.5操作系统
操作系统采用64位Linux操作系统。通常情况下Linux操作系统的运行效率比Windows Server操作系统高1.12%，且稳定性好，磁盘操作机制强。
3计算效率测试
3.1 Linpack测试
Linpack测试通过对高性能计算集群系统采用高斯消元法求解一元N次稠密线性代数方程组的测试来评价高性能计算机的浮点性能，实测浮点峰值即为Linpack值[3]。128核集群系统的Linpack值为1139Gflogs，并行计算效率为74.2%
3.2 舰船抗冲击应用实例测试
利用集群系统进行舰船抗冲击的非接触水下爆炸数值仿真。计算模型包括约22万S4R舰船结构壳单元、1.1万加强结构梁单元和230万AC3D6R（或AC3D4）水域声学单元。由于计算规模较大，普通单机无法运行，利用集群单核计算时间为21.5h，而128核并行计算时间仅为2.3h，加速比达到9.35。
4 结语
高性能计算集群系统可以完成普通单机无法运行的水下爆炸仿真计算任务，并且采用多核并行计算的方式可极大地提高计算效率，缩短计算时间。随着计算需求的不断扩大，集君系统将在舰般抗爆抗冲击仿真研究中发挥更大的作用。
参考文献
[1]Young S. Shin. Ship shock modeling and simulation for far-field underwater explosion[J]. Computers and Structures, 2004,82: 2211–2219
[2]李硕等. 高性能计算机体系结构综述[J]. 北京工商大学学报（自然科学版）, 2007,25(6): 48-52
[3]余江洪等.基于Linpack的高性能计算机集群的并行性能测试[J]. 船电技术, 2009,29(5): 56-60:
[4]阚圣哲等.基于Abaqus 软件的并行计算集群平台构建与优化方法[J]. 防灾减灾工程学报,2009,29(6):644-650