性能测试︱Abaqus 非线性瞬态热固耦合仿真——增材制造求解效率实测

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背景

作为HPC的关键应用场景，CAE仿真的计算效率直接受限于底层算力平台的性能。本文选取工业通用仿真软件 Abaqus，以其典型的增材制造瞬态热传导算例为载体，对比测评 SimForge™ 高性能仿真云平台与其他仿真云平台在 Abaqus 热分析工况下的并行计算效率。

Abaqus 瞬态热传导求解适用于高度非线性的温度场演化问题，尤其擅长模拟激光定向能量沉积（LDED）、选择性激光熔化（SLM）等金属增材制造过程中的温度场演变，目前已广泛应用于航空航天、高端装备、先进制造等关键领域。该类求解在激光沉积阶段需采用极小的固定时间步长以保证计算收敛，同时伴随移动热源加载、单元生死激活、温度相关非线性材料属性等复杂设置，单步迭代成本高、整体计算量大，对计算平台的 CPU 性能、并行通信效率及存储 I/O 能力均有较高要求。

算例介绍

本算例基于 Abaqus/Standard 开展定向能沉积（DED）构建的顺序耦合热机械分析。模型参照 Denlinger 等（2015）的公开实验数据搭建，聚焦定向能沉积（Directed Energy Deposition, DED）增材制造过程，模拟 Inconel 625 镍铬合金薄壁结构在悬臂基底上的逐层沉积与冷却全流程，开展顺序耦合的热机械仿真。

该仿真旨在精确捕捉沉积过程中的温度场演化、熔池特征、基底形变及残余应力分布。作为典型的非线性瞬态热力学问题，本算例可有效验证 SimForge™高性能仿真云平台在复杂 CAE 场景下的 Abaqus 并行求解效率，对航空航天、高端装备等领域的增材制造工艺优化具有重要参考价值。

算例分析：

1. 几何与结构参数

算例模型由夹具、基底、薄壁墙体三部分组成，具体尺寸严格遵循实验设计，细节如下：

薄壁墙体：长101.6mm × 宽6.7mm × 高38.1mm，采用42层沉积，每层为三珠沉积序列（先中心珠、后两侧珠），层间沉积方向交替；
基底：长152.4mm × 宽38.1mm × 高12.7mm，采用Inconel 625材质，夹紧区域长8.46mm；
夹具：长38.1mm × 宽38.1mm × 高28.6mm，采用铝制材质，用于固定基底，限制其自由度。

2. 材料参数

模型核心材料为Inconel 625镍铬合金（基底+墙体），夹具为铝合金，关键参数如下：

1）Inconel 625（核心材料）

基础属性：密度8.44×10⁻⁹吨/毫米³，泊松比0.366，固相温度1290°C，液相线温度1350°C，熔变潜热2.72×11mJ/吨；
温度相关属性：见下图

参数1.png

2）铝合金（夹具）

采用恒定材料性质：见下图

参数2.png

3. 沉积工艺参数

算例严格还原实验中的DED工艺参数，核心细节如下：

喷嘴传播速度：10.6毫米/秒，单颗珠子沉积耗时9.58秒，每颗珠子沉积后冷却4.66秒；
层间停留时间：设置3个案例（0秒、20秒、40秒），用于对比不同冷却间隔对变形和残余应力的影响；
激光参数：功率2千瓦，零件表面激光束点径4毫米，穿透深度1.1毫米，能量吸收效率校准为40%；
沉积序列：每层3珠，平面内沉积运动固定，层间沉积方向交替，通过事件系列定义材料沉积与激光扫描路径。

仿真结果展示

温度历史.png

热电偶的温度历史

挠度历史.png

基底的终极挠度历史

测试结果

本次仿真并行求解选取了8核、16核、32核、64核、128核，受限于另外两个平台无法进行跨节点并行，并行规模无法进一步扩大。但在SimForge™高性能平台进行了256核的并行计算，结果显示计算用时会进一步缩短。

SimForge™高性能仿真云平台针对该算例计算用时与其他仿真云平台的计算时长（分钟）对比如下图所示。

数据对比.png

测试数据显示，32核后本次参测的主流仿真云平台均出现并行效率边际递减，而神工坊^®SimForge™高性能仿真云（图内蓝色）在同核数下求解耗时全程最低，计算效率持续领跑，优势显著。

结论

本次性能测试表明，SimForge™高性能仿真云平台在使用 Abaqus 进行并行仿真时，无论是计算时间还是并行效率，均有较大的相对优势。其海量软硬件资源及弹性调度系统为处理大规模、高保真仿真任务提供了坚实基础。

此外，SimForge™平台还集成了一体化的前后处理功能，用户可在平台内完成几何清理、网格划分、计算提交及结果可视化的全流程操作，同时具备图形化操作界面，极大提升了仿真工作效率。

神工坊^®始终致力于以工程师们的需求为先，让SimForge™高性能仿真云为您提供易用、普惠、高效的仿真环境，助您专注于产品创新与工程设计。进入官网，注册即可获得200元免费试用体验金，开启您的一站式高性能仿真之旅。

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软件教程｜ANSYS FLUENT 蜗壳离心泵仿真【附算例文件】

在泵类流体机械的研发设计中，蜗壳离心泵因其结构复杂、内部湍流运动强烈，一直是CFD仿真领域的重难点。如何准确捕捉叶轮与蜗壳之间的动静干涉效应，精确预测扬程与效率，直接决定了产品的水力性能优劣与研发迭代效率。传统的仿真流程往往面临网格质量难以保证、动网格设置繁琐、收敛性差等困境。为此，本期我们将回归工程实践，以蜗壳离心泵为仿真对象，基于SimForge™高性能仿真云平台，为大家拆解一套完整的ANSYSFluent高保真仿真流程。为了让大家能够同步实操、复现结果，我们特别整理了本次教程涉及的相关算例文件，获取方式详见文末。一键关注SimForge™，即刻开启仿真跟练。01注册及账号信息查看1.创建账号打开SimForge™平台进行注册并升级，免费获取200元算力体验金，启动平台2.账号信息查看点击右上角标识，可以看到自己的账号信息及基本使用情况，包括“余额”“存储空间”“核心数权限”等02创建作业１.云平台新建算例文件夹，拖拽本地网格文件、计算配置文件至该文件夹２.点击“仿真计算”，打开“Fluent-a”３.进行作业创建设置：输入作业名，选择AIP资源池、GUI界面这里选择的是Fluent2022R1版本求解器精度选“三维双精度（3ddp）”关联新建的算例文件夹配置集群队列、节点数、核心数后，提交作业４.作业运行后，打开图形窗口进入Fluent操作界面03计算求解（模拟泵体扬程）１．读入网格文件２．基础设置：开启重力：大小-9.81m²/s，方向设为Z轴负向转速单位设为“rev/min（转/分）”；湍流模型：k-omegaSST（适合涡轮机械流场）。材料：添加“water-liquid（液态水）”。３．流体域设置（冰冻转子法）：旋转域（impeller）：设材料为“water-liquid”，转轴选原点、Z轴正向，转速1450rev/min。静止域：设材料为“water-liquid”，保持绝对坐标系静止。４.边界条件：移动壁面：blade、impeller-hub等设为与旋转域同步的移动壁面。进口：压力入口，初始表压设为-100Pa。出口：质量流出口，流量90kg/s，重命名为“outlet”。交界面：用TurbomachineryModels创建“turointerface”，关联interface-volute-inlet和interface-impeller-outlet。求解器：压力-速度耦合选“coupled”，梯度选“Green-GaussNodeBased”，开启高阶项松弛因子。５.自定义扬程计算表达式：设置中间变量p-out为出口面压力；设置中间变量p-in为进口面压力；设置变量p-blade为叶片表面总压力定义进出口总压及扬程公式({p-out}-{p-in})/(998.2[kg/m^3]*9.81[m/s^2])。初始化：混合初始化（绝对坐标系）计算：时间尺度设为10，迭代200步后开始计算。04自动化技巧自动化的两种方式：１.将操作传化为TUI命令存为jou文件导入求解２.直接在控制台输入TUI命令计算。05结果查看1.泵扬程曲线泵扬程曲线2.蜗壳出口流速蜗壳出口流速3.蜗壳表面压力分布蜗壳表面压力分布4.涡轮叶片表面压力分布涡轮叶片表面压力分布5.涡轮机内部动态流线（关闭动参考系后）涡轮机内部动态流线全流程视频教程可参考：仿真干货｜云端CAE实战——ANSYSFLUENT蜗壳离心泵仿真分析_Fluent_HPC_流体基础_网格处理-仿真秀视频课程为了让您能够同步操作练习，我们为您准备了本次教程涉及的完整算例文件，您可以通过私信领取算例文件+200元算力券。SimForge™高性能仿真云平台，基于超算HPC集群的硬件支撑，对ANSYSFluent、Abaqus、OpenFOAM、ParaView等仿真软件进行了CPU平台的高性能适配与优化，同时根据用户需求进行兼容性适配，力保每一核都能发挥出它的最大价值，关注我们，敬请期待更多工程仿真案例教程，让「SimForge™高性能仿真云平台」，陪跑你的仿真实战之路。