بهینه‌سازی تحلیل‌های سازه‌ای با ANSYS Mechanical APDL و قدرت ابررایانه‌ها

مقدمه

با افزایش پیچیدگی سازه‌ ها و نیاز به تحلیل‌ های دقیق‌ تر ، استفاده از ANSYS Mechanical APDL به‌عنوان نسخه ی خط‌ دستوری ANSYS برای تحلیل‌های سازه‌ای پیشرفته ، اهمیت فراوانی یافته است. این ابزار با تکیه بر اسکریپت‌نویسی، امکان خودکار سازی فرایندهای شبیه‌سازی و یکپارچه‌ سازی با سامانه‌ های محاسباتی قدرتمند را فراهم می‌کند . در این مقاله به بررسی ویژگی‌های کلیدی ANSYS Mechanical APDL و نحوه ی بهره‌برداری از ابررایانه و محاسبات موازی خواهیم پرداخت.

۱. ANSYS Mechanical APDL چیست؟

• APDL ( ANSYS Parametric Design Language ) یک زبان برنامه‌نویسی داخلی ANSYS است که امکان پارامتریک‌سازی کامل مدل‌ها را فراهم می‌کند.
• برخلاف محیط گرافیکی Workbench ، APDL به شما اجازه می‌دهد با اسکریپت‌ هایی کوتاه ، تعریف مش، شرایط مرزی، بارگذاری و استخراج نتایج را خودکار کنید
• مناسب برای شبیه‌سازی‌های بزرگ، پارامتریک و بهینه‌سازی لوله‌ها ، اتصالات و سازه‌های پیچیده .

۲. مزایا و کاربردهای کلیدی

1. خودکار سازی و پارامتریک‌سازی :
   • تنظیم پارامترها در یک فایل ورودی وتولید چندین مورد شبیه‌سازی با تغییرات جزئی
2. کیفیت مش‌دهی بالا:
   • کنترل دقیق اندازه و توزیع المان‌ها با دستورات /MESH
3. بازبینی دقیق خروجی‌ها:
   • دسترسی به نتایج میانی مثل کرنش، تنش و انرژی داخلی برای بررسی چرخه‌های کنورژنس
4. یکپارچگی با کارهای بهینه‌سازی:
   • اتصال به ابزار های بهینه‌سازی مثل DesignXplorer برای جستجوی فضا ی پارامتریک

۳. ضرورت استفاده از ابررایانه در ANSYS Mechanical APDL

• با بزرگ‌ تر شدن ابعاد مدل‌ها ی سه‌بعدی ( میلیون‌ها المان)، محاسبات تک‌ هسته‌ ای زمان‌بر و گاهی غیرممکن می‌شوند
• ابررایانه‌ها (HPC Clusters) با صدها تا هزاران هستهٔ پردازشی موازی ، زمان حل را از روزها به ساعت‌ها یا حتی دقیقه‌ها کاهش می‌دهند.
• کاهش قابل توجه مصرف انرژی به ازای هر مسئله به‌دلیل استفاده از سخت‌افزارهای بهینه.

۴. تنظیم ANSYS APDL برای اجرا روی ابر رایانه

1. تهیه فایل ورودی Batch :
   • تمام دستورات APDL را در یک فایل با پسوند .inp یا .txt قرار دهید.
2. پیکربندی پارامترهای موازی: /PARALLEL,LANE,YES ! فعال‌سازی محاسبات موازی /SOLU /NPAR, عدد_هسته ! تعیین تعداد هسته‌های پردازشی
3. ارسال Job به صف Scheduler:
   • با ابزارهایی مثل SLURM یا PBS، Job را در صف اجرا قرار دهید: sbatch run_ansys.sh
   • اسکریپت run_ansys.sh شامل فراخوانی ANSYS با آرگومان‌های مورد نیاز است

۵. بهترین شیوه‌ها در شبیه‌ سازی موازی

• تقسیم مش (Partitioning ):
  • قبل از توزیع بین گره‌ها، از دستور /PREP7 برای بهینه‌سازی تعادل بار استفاده کنید.
• بررسی Log فایل :
  • فایل‌های .log و .out را برای یافتن گلوگاه‌های ارتباطی بین گره‌ها تحلیل کنید.
• استفاده از حافظه ی مشترک (Shared Memory):
  • در صورت امکان، از تکنولوژی‌های OpenMP در ترکیب با MPI بهره ببرید.
• بهینه‌سازی I/O :
  • با کاهش دفعات نوشتن روی دیسک (مثلاً ذخیره نتایج میانی هر N تکرار)، سرعت اجرا را افزایش دهید.

۶. مثال کاربردی : تحلیل خستگی یک تیر فولادی

1. تعریف هندسه و مش‌دهی:
   • اسکریپت APDL برای مدل‌سازی تیر با المان‌های SOLID186
2. بارگذاری سیکلی:
   • تعریف بارهای متغیر زمان با *DO و *ENDDO
3. فعال‌سازی پارامترهای موازی: /PARALLEL,LANE,YES /NPAR,64
4. اجرا روی خوشه با ۶۴ هسته :
   • زمان اجرا: از ۱۲ ساعت (تک‌هسته) به ۴۵ دقیقه (موازی) کاهش یافت.

۷. نکات پایانی و پیشنهادات

• به‌روز نگه داشتن لایسنس :
  همیشه از نسخه‌های به‌روز ANSYS برای بهره‌مندی از بهینه‌سازی‌های موازی جدید استفاده کنید
• آموزش و مستندسازی:
  مستندسازی دقیق اسکریپت‌ ها و Workflow شما باعث ارتقاء کیفیت و انعطاف در پروژه‌ ها ی بعدی خواهد شد .
• استفاده از ماژول‌های اختصاصی HPC:
  برخی مراکز ابر رایانه بسته‌ ها ی نرم‌افزاری خاصی برای ANSYS ارائه می‌کنند که کارایی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند .

جمع‌بندی

ANSYS Mechanical APDL با امکانات اسکریپت‌نویسی قوی، ابزار ایده‌آلی برای تحلیل‌های سازه‌ای پیشرفته است . ترکیب آن با ابررایانه، سرعت و دقت را به حدی می‌رساند که پروژه‌های بزرگ و پیچیده را در زمان معقول اجرا می‌کند. با رعایت بهترین شیوه‌های پیکربندی موازی و بهینه‌سازی مش ، می‌توانید از تمام قدرت سخت‌افزارهای پیشرفته بهره‌مند شوید.

کلمات مرتبط:
ANSYS Mechanical APDL ، تحلیل سازه‌ای پیشرفته، ابررایانه ، محاسبات موازی ، اسکریپت‌نویسی، شبیه‌سازی خط‌ دستوری ، انسیس کد نوسیسی

مقاله مادر: