2024年先进计算赋能新质生产力典型应用案例系列国家超级计算天津中心显式动力学仿真软件GalaxyE
以下文章来源于先进计算洞察，作者先进计算联盟
传统产业领域
2024年12月13日，工业和信息化部办公厅公布2024年先进计算赋能新质生产力典型应用案例名单，国家超级计算天津中心申报的《显式动力学仿真软件GalaxyEDS》，成功入选传统产业领域典型应用案例。
一 案例简介
工业软件是推进新型工业化，加快形成新质生产力的关键支柱，对国民经济发展和国家战略安全至关重要。仿真软件（CAE）是工业软件领域“皇冠上的明珠”，是被国外“卡脖子”的核心工业软件。由国家超级计算天津中心主任杨灿群领衔，联合国防科技大学、信创海河实验室等多家科研机构，自主研发推出显式动力学仿真软件GalaxyEDS 。该软件突破精确高效仿真技术，支持一体化仿真流程，功能、精度、性能等与国际顶尖商业软件对标，具备国产化替代能力。
二 实施情况
GalaxyEDS具有完整、独特的分析能力，用于解决气体、液体、固体及其相互作用的高度非线性问题，主要特色功能有：
1 一体化全流程仿真
GalaxyEDS采用一体化机制集成了前处理器、后处理器与求解器，实现了复杂材料模型与求解器的无缝耦合，具有完备且友好的图形用户界面，支持几何建模、网格划分、物理定义、数值求解、结果分析全流程仿真。
2 多场多介质精确求解算法
针对不同仿真需求，GalaxyEDS实现了用于计算结构动力学分析的拉格朗日（Lagrange）求解器、用于计算流体动力学分析的欧拉（Euler）求解器、基于无网格法的光滑粒子（SPH）求解器等，以及用于分析多个物理场叠加等复杂场景的多求解器耦合，支持显式分析、瞬态动力学非线性、条件稳定性、可压缩流体、接触、流体-结构耦合等仿真分析。
3 丰富的材料模型与材料库
GalaxyEDS提供了丰富的材料模型，包括状态方程（线性方程、理想气体、炸药等）、本构模型（线弹性、弹塑性、粘弹性、超弹性等）、失效模型（断裂破碎失效、随机失效等），共40余种，所有材料模型均可与各种求解器结合使用。GalaxyEDS还提供了200余种材料参数，支持常用金属、陶瓷、玻璃、橡胶、炸药、复合材料、混凝土等材料类型的模拟计算。
3 实用的后处理工具
GalaxyEDS支持VTK、STL等标准格式以及自定义ED文件格式的读取与可视化，支持标量场显示（等值线/等值面云图、材料位置与状态、标量数据探测、单元数据拾取、数据切片等），支持矢量场显示（矢量云图、流线图、矢量场动画等），支持几何变换（多视角切换、旋转缩放、透视变换等），以及提供灵活且全面的图表数据分析功能。针对大模型读取慢、零件数量多等问题，GalaxyEDS采用OpenMP多线程并行可视化方法，有效提升渲染速度。
图1 显式动力学仿真软件GalaxyEDS
图2 显式动力学仿真软件GalaxyEDS框架
GalaxyEDS支持碰撞冲击、爆炸毁伤、结构断裂、材料破碎等复杂场景仿真，可广泛应用于航空航天、海洋工程、矿山开采、先进材料、危化品处置、战斗部设计、装甲与反装甲等民用与国防领域，为装备研发设计、毁伤效能评估与重要目标防护等提供支撑。典型应用如下：
图3 显式动力学仿真软件GalaxyEDS典型应用
三 技术创新与突破
1 构建高精度界面重构方法，实现多介质相互作用精准模拟
基于数值型VOF方法，结合高精度、高维度THINC重构方法，采用体积分数加权、物理量一致化修正方法，将其拓展至多种介质相互作用，实现Multi-THINC方法，具有良好的计算精度、效率与鲁棒性，同时结合经典的Lagrange-Remap求解格式，构建了THINC-LR高精度多介质求解方法，实现了多介质相互作用精准模拟。该技术已经成功应用到水下爆炸毁伤问题，可精确追踪气泡动态演化过程，解决了商业软件仿真中出现的多介质界面非物理形态问题，提升多介质相互作用问题的仿真精度。
图4 水下爆炸问题计算结果对比
2 突破强守恒性流固耦合方法，实现透射问题精确仿真
沿流固耦合界面法线方向，构建了欧拉-拉格朗日流固黎曼问题，并采用HLLC-EP方法进行求解，准确确定流固耦合状态。采用类MGFM延拓方法对流体部分的耦合状态进行准确施加；以压力/速度边界条件形式，对固体部分的耦合状态进行准确施加。该方法已经应用于爆炸冲击波透射仿真计算，可以准确反映出爆炸形成的冲击波在接触铝板后，空气中形成反射冲击波，铝板内形成透射冲击波并不断传播，当再次到达交界面时，铝板内形成反射稀疏波，空气中则形成透射冲击波。
图5 爆炸冲击波冲击铝板透射仿真
3 构建超高速材料库，实现超高速撞击物理状态精确表征
基于各类材料超高速撞击试验数据，研发了超高速状态方程材料库（HEOS），涵盖固态/液态/气态高分辨数据，包括压力、密度、内能、温度、熵等物理量，能够精确描述相变过程中材料物理性质的剧烈变化。超高速状态方程材料库采用表格数据形式，结合快速高精度插值方法，避免了对材料状态进行过度近似简化或假设，准确表征材料在超高速冲击载荷下的非线性响应。针对铝板超高速撞击问题，采用10km/s高速碰撞工况，撞击温度达5700K，高速库温度求解误差为5%，远低于对标软件Tillotson状态方程20%误差。
图6 标准对撞工况计算求解误差
三 商业和社会经济价值
1 引领高端信息技术创新，解决核心工业软件卡脖子问题。
目前，我国仿真领域CAE市场基本被国外商业软件所垄断。GalaxyEDS仿真软件具有自主知识产权，完全掌握软件底层代码，破解国外技术封锁，实现国产化替代。
2 保障高危行业产品安全生产，防范化解重大风险。
在高危行业，GalaxyEDS仿真软件可优化作业流程，及时发现作业潜在风险，实现风险评估、精准分级管控，提高安全管理质效，科学管控重大危险源与重大安全风险。
3 助力企业高质量发展，探索软件平台化应用推广新模式。
依托天河融合创新环境，为企业高质量发展提供有力技术支撑。以结果对标来提升国产自主软件可信度，打造行业典型应用示范，探索工业软件应用推广新模式。
4 促进交叉学科人才培养，推进产学研用深度融合，助力国产工业软件生态体系建设。
通过本软件的研发及推广过程，联合高校、企业培养一支交叉学科创新人才队伍。最大限度地发挥产学研用的综合优势，形成实际需求牵引、关键核心技术攻关、推广示范应用多环节衔接的软件开发生态链。
GalaxyEDS软件业务合作热线：
国家超级计算天津中心
黄老师 18002130472
段老师 13370307709