技术周刊 | 提高模型计算效率的几种方法

SAUSG软件一直以其强大的非线性分析及精准高效的特点受到工程师高度好评，其软件的计算效率也是广大工程师重点关注的问题。对于一个百万自由度的结构模型，某些通用有限元软件，计算时间动辄几十个小时，让很多小伙伴望而却步，而SAUSG软件通过CPU+GPU显卡异构并行计算技术，在较高版本显卡的加持下，会在短时间内完成相应工况计算，大大缩短了计算时间并保证了计算精度。工程师还可以通过对软件或结构模型做一些调整来提高计算效率，本文主要汇总几种常见的调整方法，此外还有一些其他的调整方法，参见往期文章《如何让弹塑性分析算的更快？》（点击即可阅读）。

1、多台设备计算整合结果

相信小伙伴们在日常工作过程中，肯定遇到过一些项目模型体量较大，并且计算分析时间紧凑或者马上要进行评审急需得到计算结果的情景，此时大家肯定会思考这个模型能不能在两台电脑或三台电脑同时计算并且可以把结果整合到一起？答案是可以的。下面我们以一个较大体量的结构作为例子介绍，结构模型及模型信息如下图1。具体步骤如下：

（1） 对模型进行初始分析得到基本动力特性，选择合适的地震波，地震动选取如图2（a）；

（2） 选择好地震动后，自动生成地震工况，如图2（b）所示；

（a） 结构模型  

（b） 项目统计

图1 结构模型

（a）地震动选取  

 （b）地震工况定义

图2 地震动选取及工况定义

（3） 采用两台电脑进行计算，我们需要拷贝一个定义好地震工况的xx_.ssg格式文件到另一台电脑。电脑1计算前三工况，电脑2计算后三工况。

（4） 计算完成后将电脑2中Earthquake Result文件夹下后三工况的计算结果文件拷贝至电脑1相应Earthquake Result文件夹中，打开电脑1中SAUSG软件分析对话框可以看到后三工况为100%的计算状态，如下图3，相应的可以在后处理中查看全部工况的计算结果。因此通过多台电脑合力计算能够节约大部分计算时间，同时如果有条件电脑配备两块高性能显卡，这样计算工况可以分配到两块显卡同时计算，其效果类同采用两台电脑计算，会大大节省计算时间。

图3 计算状态

2、刚性楼板

2024版SAUSG软件增加了刚性隔板功能，如下图4（该功能位置在【属性修改】——【刚度系数】下）。如果用户不关心楼板性能，运用该功能时，设置刚性隔板后，楼板将被删除，单元数量大幅度减少，从而提高计算效率。该节通过图1案例对比采用刚性隔板和不采用刚性隔板模型进行计算，网格尺寸等参数均采用软件默认值（该算例在同一台电脑上计算完成，小编的电脑显卡型号为GTX 1080）。计算完成后可以在计算文件内找到结构名XX_FeaTime.MSG文件并用记事本方式打开就可以查看计算时间了，如下图5，通过对比可知，采用刚性隔板的模型动力弹塑性分析耗时2小时25分钟，相比采用弹塑性板模型3小时48分钟耗时，计算效率提高了37%。

图4 刚性隔板及构件刚度调整对话框

图5 两种模型计算时间对比

（a）能量图

（弹塑性板模型）  

（b） 能量图

（刚性隔板模型）

图6 两种模型能量图对比

（a）构件性能

（弹塑性板模型）  

（b） 构件性能

（刚性隔板模型）

图7 两种模型构件性能对比

综上设置刚性隔板后，计算效率大大提高。同时图6为两种模型罕遇地震作用下对应的耗能图，刚性隔板模型结构弹塑性附加阻尼比为4.7%，而常规弹塑性板模型结构弹塑性附加阻尼比为3.2%，可知弹塑性楼板模型结构构件损伤耗能相对刚性隔板模型较小。图7为两种模型构件性能水平对比，刚性隔板模型中梁构件轻度损坏和中度损坏的占比相对弹塑性板模型有较大的提高，与图6中刚性隔板模型结构弹塑性提供的附加阻尼比较高的原因相对应，说明弹塑性板对结构在罕遇地震作用下构件的损伤有一定的影响，影响程度在可接受范围内。通过以上能量图和构件性能图对比可知，采用刚性隔板模型结果和常规弹塑性板模型结果有一定的差异，工程师如果对楼板性能要求不高并且和设计软件采用振型分解反应谱法结果比较时，采用刚性隔板模型方案是一个不错的选择。

3、调整增大计算步长

SAUSG软件进行动力弹塑性分析时，在工况分析对话框中采用修正的中心差分法计算时，其后有个加载时间步长，如图2(b)红框处，小伙伴们经常对这个分析步长比较疑惑，那么这个时间步长是怎么得到的呢?其实在采用显示方法求解动力方程时，为确保数值解的稳定性，需要求出相应的临界稳定步长，并据此选择适当的分析步长，当分析步长小于或等于临界稳定步长时，数值解能够较为准确地反映真实解的行为，而当分析步长大于临界稳定步长时，数值解可能会出现不稳定的现象。SAUSG中稳定分析步长是采用最大频率计算得到，而最大频率分析与构件最小单元相关，因此结构网格划分时构件越规整，则计算步长相对越大，结构的计算效率也会越高。本文具体介绍几个工程案例，通过对结构模型的调整实现增大分析步长。

上面几个案例是小伙伴在日常使用软件过程中不太关注的问题，尤其是针对这种大体量的结构模型，几何结构模型比较复杂，很容易造成墙板构件被其他构件分割成短墙或异形板，造成网格划分后最小单元尺寸较小，从而最大频率分析得到的分析步长很小。鉴于上面案例的经验，各位工程师在前处理调整模型时可对这些短墙或者不利网格处的板进行修改，这样会进一步增加计算步长，使得调整后的模型计算时长相对调整前模型有较大的缩短。同时SAUSG研发小伙伴针对这一问题会给出一套智能优化调整方案，将会在下一版本发布该功能，届时欢迎广大工程师体验这飞一般的感觉。

4、小结

1、当项目时间节点在即，结构模型自由度数量巨大且地震工况较多情况下，可以使用多台电脑分开进行计算分析，分析完成后将计算结果整合在一台电脑，通过这种方法可以成倍提高结构的计算效率；

2、当用户不关心地震作用下楼板性能并且对计算效率要求较高时，可以采用刚性隔板功能，在保证计算精度的同时较大缩短计算时长；

3、当结构模型体量大，最大频率分析得到的分析步长较小时,可以找到最大频率振型对应的构件最小单元位置，对结构模型进行调整，通过增加分析步长可以极大地提高计算效率。

供稿丨刘建成   审稿丨刘孝国、侯晓武

编辑丨王蕊   责编丨周婷婷