ESCAAS高性能极限力学仿真软件

1.     创新的无网格计算方法（OTM）

•   ESCAAS核心求解器为OTM方法。OTM方法可以有效避免有限元方法中的网格畸变与局部动态网格重划，以及SPH方法中的拉应力不稳定性。

•   采用局部熵无网格插值函数（LME），克服了无网格方法中施加边界条件的难点，提高了精度和计算效率。

•   ESCAAS采用统一的拉格朗日控制方程，整体求解流体、固体、流固耦合、热力耦合以及热流固耦合

2.     极端条件下的极限力学仿真

•   经过十余年的研发以及理论与大量实验验证，OTM方法更适于稳定模拟不同材料在高温、高压、高应变率等极限条件下的复杂瞬态热力学响应。

•   能够高可信度模拟从一般撞击到超高速撞击问题（0~10km/s）。例如装甲弹道撞击模拟(100m/s~2km/s)、超高速飞行器防护(1km/s~3km/s)、空间站抵御空间碎片超高速撞击模拟（5km/s~10km/s）。

•   ESCAAS软件基于能量与变分原理的严格分析以及基于物理的材料模型，准确预测多种能量耗散模式的自主耦合，克服传统显式方法的不稳定、精度不高、功能受限等弊端。

3.     创新的裂纹扩展算法

•   材料在极限条件下力学行为的预测，裂纹扩展、碎裂、层裂以及碎片云的数值模拟是极其关键的一个环节，也是当前商业软件的痛点。现有的裂纹扩展算法，包括内聚单元法（cohesive zone model）、单元删除法（element erosion）以及各种失效算法（damagealgorithms），理论上是不收敛的，是网格或者离散相关的。

•   ESCAAS中采用了一种创新的裂纹扩展算法（Eigen-Fracture）。该方法是基于能量与变分原理的裂纹尖端扩展算法，数学上可以严格的证明计算结果的收敛性，即离散越细，结果越精确。首次实现了无网格方法中基于物理的、收敛的、与离散无关的裂纹扩展预测。

4.     强热流固耦合整体求解框架

•   OTM方法可以高可信度预测材料内部的温度分布以及系统熵的变化。ESCAAS可以高可信度模拟带能量耗散的热力强耦合系统。拉格朗日无网格法与热力耦合变分原理的有机结合，为热流固耦合，固液气动态相变与多相混合提供了高效稳定、易收敛的计算方法。

•   ESCAAS采用统一的拉格朗日控制方程与基于变分原理的一般能量耗散系统的热力耦合本构更新方法，整合OTM方法与一般能量耗散系统的热力学变分法则，在考虑任意三维几何结构超大变形的同时，可高效稳定的求解固-液-气多相动态转换和混合，任意非线性材料模型以及裂纹扩展。

5.     超大规模并行计算，支持云计算

•   ESCAAS采用MPI/PThreads混合的方式对OTM方法进行了高度并行化（pOTM方法）来降低计算成本。目前，pOTM方法已成功地将OTM计算的效率超线性的提升到104个计算核心。

6.     开放的软件架构，可进行深度开发定制

•   ESCAAS软件基于设计模式的软件设计与高效C++实现的有机结合，保证软件的健壮性与扩展性。ESCAAS核心算法、自主知识产权以及专业研发团队可以按用户的需求将其定制为专用的仿真平台或工具，例如超高速撞击模拟平台，锻造、焊接等工艺仿真软件，鸟撞模拟平台，流固耦合专用工具等等。

翼计算®（ESCAAS: Engineering and Scientific Computing as a Service，工程科学计算服务软件），是全球领先的自主知识产权的新一代高性能极限力学计算系统。其工程计算能力覆盖并且超越目前所有商用CAE软件，是目前世界上**可以精确稳定预测高温、高压、高应变率等极限环境下复杂结构产品性能的高度非线性仿真计算平台，在航空航天、船舶工业、国防设备、加工制造、新能源与核工业等高端制造业的产品设计、可靠性评估、安全性评估等领域具有技术领先优势，是制造业产品自主研发和创新不可或缺的工具。

其领先世界的超大弹塑性变形求解器、固液气多相转换与混合、强热流固耦合、收敛的裂纹扩展与材料失效算法、碎裂、层裂与碎片云模拟、多体自由接触等高度非线性技术将突破现有商业CAE软件在工程应用上的局限，打破国内市场被国外软件所垄断的现状，并在未来发展成为***的工程计算软件。ESCAAS®实现了基于多线程与多进程混合模式的高度并行化，适用于多核个人电脑与分布式大型超级计算机，可运行于Windows系统和各种Linux平台。ESCAAS®软件采用面向对象设计的思想，目前拥有超过四十万行自主著作权的C++源代码以及上千个C++类，通过基于测试的开发方法，对软件的开发进程进行递归式的监测，实现了商用级软件的可靠性与高度可扩展性，可快速的实现核心技术的商业化，极大的降低了项目的市场化风险。

翼计算®（Escaas®）是新一代高性能极限力学计算系统。翼计算®的能力覆盖并且超越目前所有商用CAE软件，是目前世界上**可以精确稳定预测高温、高压、高应变率等极限环境下复杂结构产品性能的高度非线性仿真计算平台，模拟高速与超高速撞击、爆炸冲击、外太空登陆装置与钻探。其主要的关键技术及创新点包括：1.世界领先的核心数值求解方法，极大突破了其他商业软件可以解决的工程问题类型；2.从金属，混泥土，陶瓷到高分子材料等在内的丰富材料模型库，涵盖了目前工程应用的几乎所有材料，具有极宽广的适用范围；3.**的多层混合并行化方法，可线性甚至超线性加速到10⁵个计算核心，具有**的处理超大规模问题的能力；4.基于设计模式的软件设计与高效C++实现的有机结合，保证商业化产品级的健壮性与扩展性。翼计算®的核心算法、自主知识产权以及国内外专业研发团队将帮助其成长为新一代***的工程计算软件，广泛应用于航空航天、国防装备、加工制造、汽车以及土木工程等各个领域

ESCAAS®专注于为高度非线性极限力学仿真问题提供高效精准的求解方案。ESCAAS®是由云翼超算（北京）软件科技有限公司开发，其核心算法是由世界顶尖计算力学专家和团队耗时10年共同研发，在众多尖端项目上得到了大量实例验证的算法。是高度并行化的无网格求解器（基于OTM（**传输无网格）方法）。OTM方法目前已是公开发表的方法。经过近十年的研发以及理论与大量实验验证，OTM方法为当今世界上**能够精确稳定的模拟不同材料在高温（>1000~5000K），高压（>10~100Gpa）、高应变率（>106~107/s）等极限条件下复杂热力学响应的计算方法。它的精准性与应用范围已经在加工制造、航空航天、船舶工业、国防、新能源与核工业等应用中得到了充分的体现，例如装甲弹道撞击模拟(100m/s~2km/s)、航天器抵御空间碎片超高速撞击模拟（5km/s~10km/s），金属防护与建筑物抗爆炸冲击模拟（~40Gpa）、外星球登陆装置与钻探模拟、惯性约束核聚变装置的模拟，非线性金属塑性成形过程预测等等（图1-2）

ESCAAS软件首先确保了OTM求解器的收敛性及稳定性，并且经过优化，对大规模并行计算支持得非常好，曾经做过10万多核并行的计算案例，并行效率大幅提升。材料在高温、高压、高应变率，接近极限载荷作用下的力学特性，是ESCAAS软件的独特优势，这对一般非线性瞬态动力学方法来说是非常困难的，经常遇到不收敛，计算缓慢，结果很差等情况。而ESCAAS软件作新一代非线性瞬态动力学软件，给高度非线性瞬态动力学的仿真带来了全新的变革。

图1 OTM方法模拟空间站金属防护层抵御超高速空间碎片撞击过程（5km/s~7km/s）。（左）碎片直径与板厚比例（D/H）为3.4，失效模式为相变与碎片云；（中）D/H=1.0，失效模式为塑性变形，熔化与碎片云；（右）D/H=0.35，失效模式为塑性变形，裂纹扩展，层裂以及碎片云。

图2 OTM方法模拟士兵装甲以及高速飞行器防护抗撞击设计（左：365m/s；右：2.7km/s）。

　　翼计算®包含了开创性的包含相变的热流固耦合无网格计算框架，具备预测材料在大变形、高温、高压和高应变率下的热力学响应的独特能力。热流固耦合（Thermal-Fluid-Structure Interactions, TFSI）是在制造、能源、航空航天、舰船、国防等工业领域中长期存在并起关键作用的多物理场现象。然而，由于缺乏稳定、收敛和高效的数值求解方法，热流固耦合分析一直以来都是计算力学所面临的较重要的挑战之一。翼计算采用基于变分原理的一般能量耗散系统的热力耦合本构更新方法，通过整合OTM方法与一般能量耗散系统的热力学变分法则，云翼超算开发的强热流固耦合模型在考虑任意三维几何结构超大变形的同时，可高效稳定的求解固-液-气多相动态转换和混合，任意非线性材料模型以及裂纹扩展。图3展示了该算法预测温度变化、高压与高应变率加载条件下的固-液-气转变以及复杂断裂和破碎过程的显著能力。

图3 超高速冲击的OTM仿真以及温度场的分布

简而言之，ESCAAS软件优势如下：

（1）采用基于大变形的算法，结果更为精确。这种算法保证处理高度非线性问题的收敛性，结果精度有保证。

（2）采用基于能量的失效算法，本质上是基于物理的，结果会收敛到精确解，跟网格无关。因此对裂纹扩展计算更为准确可靠。

（3）温度场的计算，对高应变率下温度的变化非常重要，这涉及到材料的软化、相变，相应会有材料性能的变化。因此在高应变率下必须能够准确进行温度场的计算，即能量的转换。通过裂纹消耗动能，通过熔化、气化进行的消耗，通过弹性波、塑性波，塑性变形对能量的消耗。只有准确将这些因素进行计算，材料的准确变形，其力学行为才能精确模拟。

（4）支持大规模并行和云计算。我们的并行效率在业界处理领先水平，能够充分利用高性能计算中心的资源，进行大规模工程问题的模拟仿真。

高性能极限力学仿真软件ESCAAS主要处理的问题包括碰撞、冲击、爆炸、侵彻、流固耦合、金属成形（例如液压成形，锻造，深拉，多级工艺），跌落，鸟撞，失效分析，包容性，高速发射，射流，裂纹扩展等等。