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Newsletter date: 11 April 2017

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Recent advances in code_aster for dynamics and modal analysis

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Lettre d'information

Analyse des Structures et Thermo-mécanique
pour des Etudes et des Recherches

Une nouvelle fonctionnalité pour le calcul du comportement dynamique de structures viscoélastiques

par N. Merlette et B. Delmache, Tangent’delta ; N. Brie, EDF / R&D / AMA

Tangent’delta est un bureau d’étude spécialisé en acoustique, vibration et thermique. Expert des matériaux et de la simulation par éléments finis, Tangent’delta a développé, pour ses besoins internes, une fonctionnalité dans Code_Aster pour le calcul dynamique de structures viscoélastiques. Ces développements ont fait l’objet de deux publications scientifiques [1, 2], avant d’être proposés à EDF. Compte-tenu du caractère générique de ce développement et de son intérêt pour EDF, l’industrialisation et l’intégration dans le code source officiel a été faite conjointement.

Un nouvel opérateur, DYNA_VISCO, a été introduit pour le calcul des modes propres de vibration et de la réponse fréquentielle de structures comportant des matériaux viscoélastiques. Auparavant, le calcul harmonique d’une structure viscoélastique se faisait en assimilant le matériau viscoélastique à un matériau élastique avec des propriétés mécaniques constantes quelle que soit la fréquence. Désormais, avec DYNA_VISCO, le calcul des modes propres de vibration (réels ou complexes) et le calcul sur base modale de la réponse harmonique sont réalisés en prenant en compte la dépendance en fréquence des propriétés mécaniques (module d’Young et facteur d’amortissement) des matériaux viscoélastiques. Cette méthode permet une modélisation plus précise de leur comportement.

Disponible depuis la version 12.3.3

Figure 1 : Mode propre d’un pare-brise automobile en verre feuilleté avec une couche viscoélastique (Polyvinyle butyral), calculé avec DYNA_VISCO.

[1] Merlette N., Pagnacco E., Structural dynamics of solid propellants with frequency dependent properties, 12th European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing, Noordwijk, Netherlands, 2012.

[2] Merlette N., Pagnacco E., Ladier A., Recent developments in Code_Aster to compute FRF and modes of VEM with frequency dependent properties, Proceedings of Acoustics 2012, Nantes, France, 2012.

Une amélioration de l’ergonomie pour le calcul des modes d’une structure

par N. Brie, EDF R&D / AMA

Un nouvel opérateur, CALC_MODES, a été introduit afin d’améliorer l’ergonomie du calcul des modes (de vibration ou de flambement) d’une structure. Cet opérateur constitue désormais une porte d’entrée unique pour le calcul des modes, en remplacement des trois anciens opérateurs MODE_ITER_SIMULT, MODE_ITER_INV et MACRO_MODE_MECA.

Grâce à ce nouvel opérateur, l’utilisateur n’a plus besoin de choisir lui-même l’algorithme de résolution : cela est fait automatiquement en fonction du critère de recherche de modes spécifié (par exemple : recherche sur une ou des bande(s) fréquentielle(s) ; recherche autour de valeurs données, etc.). L’utilisateur conserve néanmoins la possibilité d’accéder à tous les paramètres de réglage des algorithmes pour une utilisation avancée.

Disponible depuis la version 12.2.1

Figure 1 : Mode propre de torsion d’un groupe turbo-alternateur et sa table, calculé avec CALC_MODES.

Les simulations d’interaction fluide-structure plus efficaces grâce aux dernières évolutions en matière de HPC

par A. Mikchevitch (EDF / R&D / ERMES) ; N. Greffet (EDF / DPNT / UTO) ; O. Boiteau (EDF / R&D / PERICLES)

L’amélioration des performances de code_aster est un chantier constant. Il ne s’intéresse d’ailleurs pas qu’à la résolution de problèmes quasi-statiques à plusieurs millions de degrés de liberté.
Ainsi, la mise en œuvre de calculs modaux comportant des centaines voire des milliers de modes propres fait partie de ces challenges.

Des progrès constants

Durant le développement de la version 13 de code_aster, les applications dynamiques avaient déjà pu bénéficier d’accélérations notables dans leur calcul : gain d’un facteur deux à 30, suivant le niveau de parallélisme et la taille de l’étude.

Application sur des simulations de bâche

Actuellement, des simulations de type interaction fluide-structure (IFS) appliquées aux bâches d’unités de production tirent un grand bénéfice des progrès accomplis. En effet, les analyses de ces structures minces peuvent requérir des bases modales très étendues, à savoir jusqu’à plusieurs milliers de modes. De telles bases sont indispensables pour garantir la convergence du calcul d’IFS et, in fine, pour assurer la qualité de la simulation.

Figure 1 : Exemple de mode propre mouillé d’une bâche.

Ainsi l’étude d’IFS de la bâche présentée Figure 1 nécessite le calcul précis des 6100 modes propres dans la bande fréquentielle [0 ; 100] Hz. Même si le modèle ne comporte que 45000 degrés de liberté, leur calcul séquentiel dure plus de six heures sur le cluster EDF avec code_aster 13.2. Ce coût important est néanmoins à relativiser et à comparer aux cinq jours qu’auraient requis un tel calcul jusqu’en version 12.0 (cf. Figure 2).

Des gains encore plus importants grâce au HPC

Pour accélérer ce type de calcul, il convient de découper la bande de fréquence en sous-bandes homogènes de taille plus raisonnables (idéalement une centaine de modes par sous-bande) et à distribuer celles-ci sur des groupes de cœurs. Chacun des sous-calculs ainsi formés peut en plus bénéficier de deux autres niveaux de parallélisme : l’un au cœur du solveur linéaire, l’autre au sein des bibliothèques d’algèbre linéaire. Rappelons que grâce aux bonnes performances parallèles de l’opérateur de calibration modale INFO_MODE, quelques minutes suffisent pour construire un tel découpage.
En découpant jusqu’à 36 sous-bandes, le calcul de bâche sur 72 cœurs ne dure plus que 2.5 minutes en version 13.0 (deux niveaux de parallélisme) et même 1.5 minute en version 13.3 (trois niveaux de parallélisme) !

Figure 2 : Coût du calcul des 6100 modes de la bâche suivant les versions de code_aster et suivant le scénario de calcul

Perspectives

Les futurs développements devront se concentrer sur l’amélioration des performances des autres opérations du calcul d’IFS. Celles-ci sont maintenant prédominantes en temps de calcul, par exemple, le calcul des masses ajoutées du fluide effectué au sein de la macro-commande MACR_MATR_AJOU.

code_aster encore plus performant grâce au solveur linéaire MUMPS

par O. Boiteau ; EDF / R&D / SINETICS

La version 13.1 de code_aster avait bénéficié d’importants gains de performances grâce au solveur MUMPS, qui résout dans code_aster les systèmes d’équations linéaires issus de la discrétisation par éléments finis.
La nouvelle version de MUMPS intégrée dans la version 13.3 de code_aster parue en décembre fait encore mieux.

Un temps de retour des calculs drastiquement diminué

En exploitant mieux le parallélisme des cœurs de calcul, elle procure dans certains cas un gain allant jusqu’à un facteur deux. Au final, pour l’utilisateur, ce sont parfois plusieurs heures de moins à attendre le retour d’une simulation ! Ainsi les cas-tests de performance perf008d et perf009d voient leur temps diminuer de 15% à 50% selon les cas (cf. Figure 1).
Ces gains ont pu être observés également sur des études industrielles (30%).

Figure 1 : temps complets de cas-tests de performance de code_aster. Pour chaque configuration, on trace les meilleurs temps de simulation obtenus en optimisant les paramètres de MUMPS.

Des perspectives prometteuses

Les tests préliminaires sur la prochaine version de MUMPS, qui sera intégrée dans code_aster en 2017, promet déjà un saut de performances encore plus important.

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Structures and Thermomechanics Analysis
for Studies and Research

A new feature for the computation of the dynamical behavior for viscoelastic structures

by N. Merlette et B. Delmache, Tangent’delta ; N. Brie, EDF / R&D / AMA

Tangent’delta is an engineering office specialized in acoustics, vibrations and heat transfer. Expert of the materials and the finite elements analysis, Tangent’delta developed, for its needs, a new feature in Code_Aster for the dynamic computation of viscoelastic materials. Two papers dealing with these developments have been published [1, 2] before being proposed in Code_Aster. Because of its generic nature and the benefit for EDF, the industrialization and the implementation was carried out jointly with EDF.

A new operator, DYNA_VISCO, has been introduced for the eigenmodes of vibration and frequency response computation of structures comprising viscoelastic materials. Previously, harmonic computation of a viscoelastic structure was carried out by considering a viscoelastic material as an elastic material with constant mechanical properties whatever the frequency. Now, eigenmodes of vibration (real or complex) and frequency response are computed by taking into account the frequency dependence of the mechanical properties (Young’s modulus and loss factor) of the viscoelastic materials. Frequency responses are obtained by the modal synthesis method. This new command leads to more accurate predictions of the viscoelastic behaviors.

Available starting from version 12.3.3

Figure 1 : Natural mode of an automobile windshield laminated glass with a viscoelastic layer (Polyvinyl butyral), calculated with DYNA_VISCO.

[1] Merlette N., Pagnacco E., Structural dynamics of solid propellants with frequency dependent properties, 12th European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing, Noordwijk, Netherlands, 2012.

[2] Merlette N., Pagnacco E., Ladier A., Recent developments in Code_Aster to compute FRF and modes of VEM with frequency dependent properties, Proceedings of Acoustics 2012, Nantes, France, 2012.

Improved user experience for the calculation of modes in a structure

by N. Brie, EDF R&D / AMA

A new operator, CALC_MODES, was introduced in Code_Aster to improve the user experience of computing modes (vibration or buckling) in a structure. This operator is now the main point of entry for calculating modes, superseding the previous operators MODE_ITER_SIMULT, MODE_ITER_INV and MACRO_MODE_MECA.

With the new operator, the user no longer needs to select himself the resolution algorithm : this is done automatically based on the search criteria for the specified modes (e.g. research in a frequency band or search around given values, etc). The user retains the ability to access all algorithms and adjust settings for advanced use.

Available starting from version 12.2.1

Figure 1 : Torsional mode shape of a turbine generator set and its table, calculated with CALC_MODES.

More efficient fluid-structure interaction simulations thanks to the latest developments in HPC

by A. Mikchevitch (EDF / R&D / ERMES) ; N. Greffet (EDF / DPNT / UTO) ; O. Boiteau (EDF / R&D / PERICLES)

The improvement of the performance of code_aster is always a work in progress. It does in fact not deal only with the solving of quasi-static problems with millions of degrees of freedom.
As such, the implementation of modal calculations involving hundreds or even thousands of eigen modes is part of these challenges.

Steady progress

During the development of version 13 of code_aster, dynamic applications had already benefited from notable accelerations in their calculation : gain by a factor of two to 30, depending on the level of parallelism and the size of the model.

Application on tank simulations

Fluid-structure interaction (FSI) simulations applied to the tanks of production units benefit greatly from the progress made up to now. Indeed, the analyses of these thin structures may require very extensive modal bases, namely up to several thousand modes. Such bases are necessary to ensure the convergence of the FSI calculation and, eventually, to ensure the quality of the simulation.

Figure 1 : Example of a wet normal mode of a tank

Thus, the FSI study of the tank presented in Figure 1 requires the precise calculation of 6100 eigenmodes in the frequency band [0 ; 100] Hz. Even if the model has only 45000 degrees of freedom, their sequential calculation lasts more than six hours on the EDF cluster with code_aster 13.2. Nevertheless, this important cost should be put in perspective with the five days that would have required such a calculation up to version 12.0 (see Figure 2).

Even more gains with HPC

In order to speed up this type of calculation, the frequency band should be cut into more reasonable sized sub-bands (ideally 100 modes per subband) and distributed on a group of cores. Each of the sub-calculations thus formed can also benefit from two other levels of parallelism : one at the heart of the linear solver, the other within linear algebra libraries. Thanks to the good parallel performances of the modal calibration operator INFO_MODE, it takes only a few minutes to construct such a cut.
By cutting the initial band into 36 sub-bands, the 72-core tank calculation takes only 2.5 minutes in version 13.0 (two levels of parallelism) and even 1.5 minutes in version 13.3 (three levels of parallelism) !

Figure 2 : Times to solution for the 6100-modes Eigen Problem of the tank depending on th version of code_aster and the calculation scenario

Perspectives

Future developments should focus on improving the performance of other calculations involved in FSI analysis. These are now predominant in calculation time, for example, the calculation of the added masses of the fluid carried out within the MACR_MATR_AJOU macro-command.

Code_aster even more powerful thanks to the linear solver MUMPS

by O. Boiteau ; EDF / R&D / SINETICS

The version 13.1 of code_aster had benefited from performance gains thanks to the MUMPS solver, which solves in code_aster the systems of linear equations resulting from the finite element discretization.
The new version of MUMPS integrated in version 13.3 of code_aster published in December does even better.

Time to solution drastically decreased

By making better use of the parallelism of computing cores, it provides in some cases a gain of up to a factor two. In the end, that may be several hours less for the user until the end of the simulation ! The performance test cases perf008d and perf009d have their time decreased by 15% to 50% depending on the case (see Figure 1).
These gains were also observed in industrial studies (30%).

Figure 1 : code_aster performance test cases. For each configuration, the best simulation times obtained by optimizing the parameters of MUMPS are displayed.

Promising Outlook

The preliminary tests on the next version of MUMPS, which will be integrated into code_aster in 2017, already promises an even greater performance leap.

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