ANSYS Autodyn و بهینه سازی شبیه سازی دینامیک با ابررایانه‌ (HPC)

مقدمه

ماژول ANSYS Autodyn یکی از قدرتمندترین ابزارها برای شبیه‌سازی دینامیک‌های گذرا (Transient Dynamics) و بررسی رفتار مواد، تحت بارگذاری‌های شدید مانند ضربه، انفجار و برخورد است. با پیشرفت روزافزون ابررایانه‌ ها (HPC)، امکان انجام تحلیل‌ ها ی پیچیده‌ تری در زمان‌های کوتاه‌تر فراهم شده است . این مطلب تلاش می‌کند ضمن معرفی کامل این ماژول، اهمیت و روش‌های بهینه‌سازی آن روی ابررایانه ها را شرح دهد.

ماژول ANSYS Autodyn چیست؟

ANSYS Autodyn یک نرم‌افزار تخصصی در حوزه تحلیل دینامیک صریح (Explicit Dynamics) است که برای مدلسازی پدیده های پیچیده و گذرا طراحی شده است . برخلاف روش‌های تحلیل ضمنی (Implicit) که برای بارگذاریهای آرام و زمان‌طولانی مناسب هستند،نرم افزار Autodyn با بهره‌مندی از ‏الگوریتم‌های حل صریح به‌ویژه در مسائل با تغییر شکل‌های بزرگ، مواد با رفتار پلاستیک شدید، و سرعت‌های بالا کارایی قابل توجهی دارد.

ویژگی‌های کلیدی ANSYS Autodyn

1. حل صریح ( Explicit Solver ) :
   • استفاده از روش‌های صریح به منظور محدود کردن هزینه محاسباتی در گره‌های مختلف شبکه ( Mesh) و تسریع زمان شبیه‌سازی
   • توانایی رهگیری رفتار ناپایدار و انتشار موج ضربه‌ای .
2. سازگاری با مواد متنوع:
   • امکان تعریف مدل‌های مواد مختلف شامل مواد پلاستیک، چقرمه، رفتار شکست و مدل‌های چندفازی.
   • پشتیبانی از معادلات حالت (Equation of State) برای گازها و انفجارها.
3. مدل‌سازی برخورد و انفجار:
   • قابلیت شبیه‌سازی دقیق برخورد گلوله، شلیک، انفجار داخلی و برخورد با ساختارهای سخت.
   • تعریف منابع انرژی به صورت تجریه‌ای یا دما‌محور
4. ادغام با سایر ماژول‌های ANSYS:
   • ارتباط بی‌درز با ماژولهای Mechanical و Fluent برای تحلیل‌های ترکیبی مانند چقرمگی ساختار یا واکنش سیال-ساختار (Fluid-Structure Interaction)
   • امکان انتقال نتایج از Autodyn به ماژول‌های دومرحله‌ای برای تحلیل طولانی‌تر پس از سناریوی دینامیکی .
5. پست پروسسینگ پویا:
   • ارائه ابزارهای پیشرفته برای تحلیل تنش، کرنش، سرعت موج، و رفتار شکست در نقاط بحرانی
   • قابلیت رسم انیمیشن های تغییرات مقطع (Deformation) و متغیرهای فیزیکی در طول زمان.

کاربردهای Autodyn در صنایع مختلف

۱. صنعت خودروسازی

• تحلیل برخورد خودرو (Crash Analysis): بررسی رفتار کابین و اجزای مختلف در تصادف‌های با سرعت‌های گوناگون؛ شبیه‌سازی سقوط خودرو یا برخورد به مانع
• طراحی سازه ایمن: شبیه‌سازی اجزای فنرها، ستون‌ها و کمربند ایمنی برای بهینه‌سازی رفتار جذب انرژی.

۲. هوافضا و دفاع

• تحلیل اصابت موشک و مهمات: شبیه سازی خروجی موج‌های ناشی از انفجار ، بررسی نفوذ جسم تیز به صفحه‌های زرهی.
• شبیه‌سازی مقاومت سازه‌ها در برابر انفجار: طراحی سازه‌های نظامی و غیرنظامی با هدف افزایش مقاومت و حفظ جان افراد

۳. معدن و صنایع نفت و گاز

• مطالعه انفجار تونل‌زنی: بررسی رفتار سنگ و سازه‌های تونل در برابر انفجارهای کنترل‌شده.
• تحلیل شکست لوله ها و مخازن تحت فشار انفجاری : بررسی خطرات ریسک انفجار و ارتقای ایمنی.

۴. صنایع انرژی

• تحلیل رفتار توربین‌ها در شرایط گذرا : بررسی تغییر شکل سریع پره‌ها در مواجهه با بارهای ناگهانی.
• شبیه‌سازی انفجار مخازن سوخت: ارزیابی ریسک و طراحی سازه‌های مقاوم.

اهمیت استفاده از ابررایانه در شبیه سازی‌های Autodyn

افزایش سرعت شبیه سازی

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های شبیه‌سازی دینامیک‌های گذرا، نیاز به قدرت پردازش بالا است. مسئله زمانی پیچیده‌تر می‌شود که شبیه‌سازی شامل شبکه‌بندی بسیار ریز ( Fine Mesh ) و مدل‌های مواد غیرخطی باشد. ابررایانه ها با ارائه صدها تا هزاران هسته پردازشی هم‌زمان ، امکان حل موازی ( Parallel Computing ) را فراهم کرده و می‌توانند :

• کاهش زمان اجرا از چند روز یا هفته به چند ساعت یا حتی چند دقیقه
• افزایش دقت و ریزتر کردن مش بدون نگرانی از زمان طولانی محاسبات

بهره‌برداری از حافظه و منابع گسترده

در مسائل بزرگ، مصرف حافظه (RAM) و پهنای باند (Bandwidth ) بسیار اهمیت دارد. ابررایانه‌ها قادرند منابع عظیمی از حافظه توزیع‌شده را در اختیار کاربر قرار دهند:

• شبیه سازی‌های عظیم چند میلیون سلول یا بیشتر.
• قابلیت ذخیره‌سازی نتایج میانی برای استفاده در تحلیل‌های بعدی.

قابلیت مقیاس پذیری (Scalability)

وقتی شبیه‌سازی بهینه‌سازی می‌شود، توان اجرای غیرخطی و دشوار به تعداد هسته‌‌های بزرگ‌تری طراحی می‌شود:

• امکان ترکیب پردازشگرهای توزیع‌شده و گره‌های محاسباتی برای افزایش سرعت.
• هم‌زمان‌سازی (Synchronization ) بین پردازشگرها به شکل موثری مدیریت می‌شود تا از هدررفت منابع جلوگیری شود

انواع ابررایانه‌ها برای Autodyn

1. خوشه‌های محلی (On-Premise Clusters):
   • برای شرکت‌ها و دانشگاه‌هایی که زیرساخت شبکه قوی دارند.
   • امکان دسترسی اختصاصی و کنترل کامل بر سخت‌افزار.
2. ابررایانه‌های ابری (Cloud HPC):
   • سرویس‌هایی مانند AWS EC2 با سطوح کامپیوتینگ C5n یا HPC Grid در Azure.
   • پرداخت به ازای مصرف (Pay As You Go) و انعطاف در مقیاس‌گذاری.
3. ابررایانه‌های سازمانی (National/Regional Supercomputers):
   • مراکز ملی تحقیقات علمی که با تأمین‌کنندگان بزرگ سخت‌افزار همکاری دارند.
   • هزینه کمتر برای پروژه‌های عظیم با زمان اشتراک طولانی.

روش‌های بهینه‌سازی Autodyn برای ابررایانه

برای بهره‌برداری کامل از قدرت ابررایانه در شبیه‌سازی با ANSYS Autodyn، باید چند نکته مهم را رعایت کرد:

۱. شبکه‌بندی مناسب (Mesh Optimization)

• انتخاب نوع مش: برای اجسام با هندسه پیچیده از مش چندکفری (Polyhedral) یا Hexahedral استفاده شود تا تعداد سلول‌ها کاهش یابد اما کیفیت تحلیل حفظ شود.
• سازگارسازی شبکه: در نقاط بحرانی (نزدیک محل برخورد یا انفجار) شبکه را ریزتر و در سایر نواحی درشت‌تر نگه دارید. این کار تعداد سلول‌های کل را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت محاسبه افزایش می‌یابد.

۲. پارامتربندی موازی (Parallel Configuration)

• تعداد هسته‌ها (Cores): به صورت تجربی تعداد هسته بهینه را برای مسئله خود پیدا کنید. افزایش بیش از حد هسته ممکن است به دلیل هزینه ارتباط بین هسته‌ها (Communication Overhead) باعث کاهش بازده شود.
• تنظیم پارامترهای ارتباطی: استفاده از پروتکل‌های MPI با تنظیمات MPICH_RANK_REORDER_METHOD و MPI_TYPE مناسب به تسریع تبادل اطلاعات کمک می‌کند.

۳. مدیریت حافظه

• حافظه توزیع‌شده: در تنظیمات نرم‌افزاری ANSYS، مطمئن شوید که گزینه‌های Memory Allocation = Adaptive یا High Memory فعّال باشد تا بدین ترتیب از حداکثر حافظه هر نود بهره ببرید.
• فایل‌های پیکربندی Scratch: مسیر پوشه Scratch را به درایو یا دیسکی با I/O بالا اختصاص دهید تا زمان نوشتن/خواندن داده‌ها کمینه شود.

۴. استفاده از مدل‌های مواد بهینه

• انتخاب مدل‌های ساده‌تر (مانند Johnson-Cook یا Mie-Grüneisen) زمانی که نتایج تقریبی کفایت می‌کند. این مدل‌ها نسبت به مدل‌های چندفازی یا شکست مفصل‌بندی شده، هزینه محاسباتی کمتری دارند.
• در مواقع لزوم، جزییات مواد را در مدل‌های مختلف جداگانه شبیه‌سازی کرده و نتایج آن‌ها را ترکیب کنید تا از بار اضافی محاسباتی جلوگیری شود.

۵. پیش‌پردازش و پس‌پردازش موازی

• زمان‌بندی Job Script: در سیستم‌های SLURM یا PBS اسکریپت‌ها را طوری تنظیم کنید که هم‌زمان Pre-processing و Post-processing روی هسته‌های متفاوت اجرا شوند.
• پشتیبانی از فایل‌های خروجی موازی: در ANSYS Autodyn گزینه‌های Parallel Output را فعال کنید تا داده‌های خروجی به صورت موازی ذخیره شود و زمان نوشتن فایل کاهش یابد.

مطالعه موردی: شبیه‌سازی برخورد گلوله به زره فولادی

در این بخش یک مطالعه موردی برای شبیه‌سازی برخورد گلوله به صفحه زرهی فولادی را تشریح می‌کنیم تا کاربرد ANSYS Autodyn و ابررایانه روشن‌تر شود.

تعریف مسئله

• یک گلوله کالیبر ۷.۶۲ میلی‌متری با سرعـت ابتدایی ۹۰۰ متر بر ثانیه به سمت یک صفحه فولادی با ضخامت ۲۰ میلی‌متر شلیک می‌شود.
• هدف بررسی تغییر شکل صفحه، نفوذ گلوله و ناحیه آسیب‌دیده (Heat Affected Zone) است.

تنظیمات شبیه‌سازی

1. هندسه و مش (Geometry & Mesh)
   • گلوله مدل‌سازی شده به‌صورت جابجایی دینامیک با مش Hexahedral ریز در دماغه گلوله و مش درشت‌تر در فواصل دورتر.
   • صفحه زرهی با مش Hexahedral اما با تراکم بالا در ناحیه برخورد.
2. مدل مواد (Material Models)
   • فولاد زرهی: با استفاده از معادله حالت Mie-Grüneisen و مدل ماده Johnson-Cook برای رفتار پلاستیک و دما-محور برای ثبت اثر دما بر سختی.
   • فلز گلوله: آلیاژ برنج یا مس با مدل Johnson-Cook.
3. شرایط مرزی (Boundary Conditions)
   • صفحه زرهی در لبه‌ها ثابت (Fixed Support)
   • گلوله به صورت یک بارگذاری اولیه سرعت تعریف شده است (Initial Velocity) به سمت صفحه.
   • پارامترهای حل (Solver Settings)
     • زمان کل شبیه‌سازی: ۱۰۰ میکروثانیه، با گام‌های زمانی خودکار (Adaptive Time Step) برای حفظ پایداری عددی.
     • شبیه‌سازی موازی: اجرا روی یک ابرخوشه با ۲۵۶ هسته پردازشی، تنظیم MPICH برای بهینه‌سازی ارتباط.

نتایج و تحلیل

• الگوی نفوذ گلوله: با استفاده از Contour Plot می‌توان عمق نفوذ را مشاهده کرد؛ نفوذ گلوله نزدیک به ۱۲ میلی‌متر گزارش شد.
• تغییر شکل صفحه: Deformation Plot نشان می‌دهد که صفحه جلویی دچار تغییر شکل پلاستیک شدید شده و قسمت پشت تا حدود ۵ میلی‌متر فرورفتگی داشته است.
• منطقه آسیب‌دیده (Fracture Zone): با استفاده از معیار Damage در Autodyn، ناحیه‌ای از شکست برش (Shear Failure) در کنار نفوذ گلوله مشاهده شد.
• زمان محاسبه: اجرای شبیه‌سازی روی ۲۵۶ هسته حدود ۵ ساعت طول کشید، در حالی که همین مسئله روی یک سرور ۸ هسته‌ای بیش از ۴۸ ساعت زمان می‌برد.

نتیجه گیری

ماژول ANSYS Autodyn ابزاری بی‌نظیر برای تحلیل دینامیک‌های گذرا است که در صنایع خودروسازی ، هوافضا، دفاع، نفت و گاز، و انرژی کاربرد گسترده دارد . با اتصال این ماژول به منابع ابررایانه‌ای ( HPC)، می‌توان مسائل پیچیده و بزرگ را در زمان بسیار کوتاه‌تر و در عین حال بادقت بسیار بالاتر شبیه‌سازی کرد. نکات کلیدی همچون شبکه‌بندی بهینه، پیکربندی موازی مناسب، و مدل‌های مواد صحیح باعث می‌شود نهایت بهره‌وری از منابع HPC یا همان ابررایانه به دست بیاید.

در پایان ، استفاده از ابررایانه ها در کنار ANSYS Autodyn نه تنها زمان شبیه‌سازی را به شکل قابل‌توجهی کاهش می‌دهد، بلکه امکان بررسی جزییات بیشتر فیزیکی و مشاهده پدیده‌های ناپایدار را فراهم می‌کند. بهره‌برداری از این ترکیب قدرتمند می‌تواند شما را در مسیر طراحی و بهینه‌سازی محصولات دینامیکی و مقاوم یاری رساند.

مقاله مادر: