ESCAAS® Engineering & Scientific Computing Analysis And Solutions 新一代极限力学高性能计算仿真平台 ESCAAS® ESCAAS ®软件简介 极限力学？为什么必须仿真? 当前的尖端科学和工程应用需要对在极限状态下的产品进行精细力学 仿真。因为航天、航空、兵器、核工业等领域的产品经常处于高温、 高压、高应变率的极限工作状态，做试验周期长、成本高、难度大， 需要对产品设计和性能进行可靠的评估与仿真。传统的商业仿真软件 对此力不从心，网格畸变，不收敛，无法获得可靠的结果。即使手中 有很多商业显式软件，但依旧不能解决问题，相信您已经苦此久矣！ 那么您的新选择来了——ESCAAS®软件！ ESCAAS®是预测高度非线性问题的极限力学高性能计算仿真软件，具有 历时十余年发展的创新性核心算法—最优输运无网格方法（OTM）、 变分裂纹扩展方法（Eigen-Fracture）与热流固耦合整体求解算法，以 及显式有限元求解器，软件包含丰富的材料模型，高度可扩展性的软 件架构，高效率大规模并行计算能力。ESCAAS®专注于为高温、高压、 高应变率等极限条件下的高度非线性瞬态热力学问题提供高效精准的 求解方案。ESCAAS®以严格的数学理论与计算数学方法为基础，充分利 用最新的计算机科学与软件技术，采用基于物理现象本质与各种工程 材料热力学响应及失效机理的本构模型，实现对产品在逼近设计极限 与极端工作环境下性能的高精度预测。 (a) (b) (a) 低速撞击（10m/s-1km/s）；(b) 高速撞击（1km/s-3km/s；(c) 超高速撞击（5km/s-10km/s） ESCAAS®软件适用于但不限于以下问题的仿真模拟： ➢ 碰撞 ➢ 流固耦合 ➢ 冲击 ➢ 热力耦合 ➢ 爆炸 ➢ 热流固耦合 ➢ 侵彻 ➢ 其他 ➢ 增材制造 云翼超算（北京）软件科技有限公司 (c) ESCAAS® ESCAAS ®软件优势 ➢ 创新的无网格计算方法（OTM） ◆ ESCAAS®核心求解器为OTM方法。OTM方法采用节点与质量点对计算域进 行离散，质量点与节点动态联系，避免了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。 ◆ 采用局部最大熵无网格插值函数（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 ESCAAS®金属锻造模拟 ➢ 极端条件下的极限力学仿真（Extreme Dynamic Events） ◆ 经过十余年的研发以及理论与大量实验验证，OTM方法更适于精确稳定 的模拟不同材料在高温（103~104K）、高压（10~100Gpa）、高应变率 （104~108/s）等极限条件下的复杂热力学响应。 ◆ 能够高精度模拟从一般碰撞到超高速碰撞问题（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）。 ◆ 传统计算力学方法处理极限问题具有很大局限性，主要由于起决定性作 用的复杂热力学现象，包括三维结构的超大变形、热力强耦合以及固液 气相变与多相混合、高度非线性与应变率相关的材料热力学响应、三维 裂纹扩展与碎片云，以及多体动态接触。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，精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、不精确、功能受限等弊端。 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件优势 ➢ 创新的裂纹扩展算法（Eigen-Fracture） ◆ 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。然而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（damage algorithms），理论上都是不收敛的，是网格或 者离散相关的。 ◆ ESCAAS®中采用了一种全新的裂纹扩展算法（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。通过能量平均化来定义局部 能量释放率，避免了裂纹扩展路径的网格或者离散相关性。EigenFracture适用于脆性与韧性断裂的模拟，小变形与大变形，静态与动态裂 纹扩展问题。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。 混凝土与陶瓷等脆性断裂 金属材料韧性断裂 Experiment Simulation 高分子材料韧性断裂 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件优势 ➢ 强热流固耦合整体求解框架（Monolithic TFSI Solution） ◆ 在OTM方法中，节点包含了运动学信息与温度场。通过热力耦合变分原理，对 能量守恒与热力学第二定律的求解，OTM方法可以精确预测材料内部的温度分 布以及系统熵的变化。尤其是金属材料在高速撞击与高应变率加载条件下，能 量会通过粘性及塑性等内部耗散过程转换为热能。ESCAAS®可以精确模拟带能 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完美结合 ，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、精确收敛的计 算方法。 ◆ ESCAAS®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。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。 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件优势 ➢ 超大规模并行计算，支持云计算（High Performance Computing） 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 。 pOTM 方 法 的 并 行 效 率 已 经 在 世 界 TOP10超级计算机上进行过测试。在 采用一千五百万质量点的超高速撞击 数值模拟中，MPI/PThreads混合并行 化的pOTM方法可以以超线性的方式 加速到16,284个核。pOTM方法结合 了共享内存多线程并行化与分布式多 进程并行化，有效的利用异构超级计 算集群对OTM模拟进行线性甚至超线 性加速。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。 ➢ 开放的软件架构，可进行深度开发定制（Software Engineering） 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，保证商业化 产品级的健壮性与扩展性。ESCAAS®核心算法、自主知识产权以及专业研发团 队将帮助其成长为新一代的先进工程计算软件。可以按用户的需求将其定制为 专用的仿真平台或工具，例如超高速碰撞模拟平台，鸟撞模拟平台，流固耦合 专用工具等等。另外对高校、科研机构可以利用ESCAAS®的开放性架构，将特 有的创新成果加入软件中，包括算法、材料、模型、公式等，从而形成定制化 的专用工具。 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件工业应用 ❖ 航天 ❖ 航空 ➢ 高速及超高速碰撞精细仿真 ➢ 直升机水上迫降仿真（流固耦合） ➢ 卫星、飞船等航天器防护 ➢ 飞机鸟撞、油箱晃动 ➢ 小行星采矿 ➢ 航空发动机转子、叶片包容性仿真 ➢ 返回舱或登陆设备仿真 ➢ 结构失效分析、动态裂纹扩展仿真 ➢ 航天发动机坠地爆炸分析 ➢ 飞机坠撞分析 ➢ 弹道导弹打靶 ➢ 增材制造仿真 ➢ 推进剂火药等安全性仿真 ➢ 油箱晃动等流固耦合仿真 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件工业应用 ➢ 超高速激光熔覆（EHLA）仿真 超高速激光熔覆技术采用将融化的粉 末高速喷射到工件表面形成极薄冶金 层的技术，可短时间内制备大面积涂 层，对工件表面基本无损伤。该工艺 过程物理现象非常复杂，但其中粉末 材料、基材材料、激光光斑尺寸和功 率、轴的转速、激光移动速度、金属 粉末距离基材的距离等工艺参数对成 型质量的影响需要精细仿真和优化。 ESCAAS®通过模拟金属粉末颗粒的碰 撞、软化、熔化、气化、融合、凝固 等复杂物理现象，可得到熔覆层的厚 度、孔隙率、表面粗糙度、残余应力 等。软件具有固液气全域热粘弹塑性 材料模型，可以输入各种边界条件、 热通量模型、颗粒模型等。 ➢ 粉末床激光/电子束选区熔融技术（PBF） ESCAAS®可以直接模拟增材制造过程 中金属熔池热动力学行为，高效精 确预测材料微观结构缺陷的动态生 成过程，建立金属增材制造技术加 工参数与材料微观结构之间的直接 联系。通过输入粉末颗粒材料，尺 寸，形状，结构特征与填充密度等 参数直接对金属粉末床建模。激光 或者电子束强度，大小，打印速度 与路径等加工参数作为粉末床边界 条件，ESCAAS®超大规模并行化热流 固耦合整体求解器通过计算金属粉 末颗粒的变形、运动、相变以及相 互作用，预测打印材料中各种微观 结构特征的成型过程，包括孔隙、 微裂纹与未完全熔化粉末颗粒的比 例以及大小与位置分布。 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件工业应用 机匣叶片撞击 ❖ 核工业及国防 ➢ 弹丸打靶精细仿真 ➢ 飞机等撞击核电站安全壳 ➢ 穿甲、侵彻、爆炸的仿真 ➢ 头盔等防护装置的设计仿真 ❖ 冶金及材料加工领域 ➢ 复合材料热压成型 粉末合金热等静压成型 ➢ 金属成型工艺 ➢ 摩擦焊 ➢ 粉末合金热等静压挤压成型 ❖ 船舶工业及生物力学 弹道穿甲 ➢ 水下爆炸仿真 ➢ 火炸药安全性评估 ➢ 流固耦合 ➢ 冲击、碰撞、爆炸、断裂 ❖ 电子电器工业 ➢ 产品跌落仿真 ➢ 产品冲击仿真 ➢ 电路板焊接工艺 细胞动力学 ❖ 高校科研院所 ➢ 各种极限力学问题研究仿真 ➢ 增材制造工艺仿真优化研究 ➢ 基于ESCAAS®深度二次开发 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件用户界面 为帮助用户方便快捷的建立计算模型，ESCAAS®软件提供了简洁的GUI用户 操作界面，其主要功能包括： ✓ 分析类型：支持结构应力分析、热传导分析、热流固耦合分析、电磁分 析（开发中）以及等离子体分析（开发中）； ✓ 前处理功能：为常用的商业有限元前处理软件提供了丰富的接口（如 Hypermesh、Ansys、Femap等），用户可在熟悉的分网软件中对几何模 型进行初始网格划分，并将划分后的网格文件导入ESCAAS® GUI，进行 边界条件、初始条件、材料模型等参数设置； ✓ 材料库功能：提供了线弹性、弹性大变形、弹塑性、粘弹性及粘弹塑性 问题的材料模型，并且为用户自定义材料模型提供了二次开发接口； ✓ 核心求解器：多线程与多进程大规模混合并行高性能并行策略，支持 Windows和Linux平台； ✓ 后处理功能：ESCAAS® GUI提供了常用后处理操作，支持计算结果实时 查看，便于及时发现问题修改计算模型。 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® ESCAAS ®软件资质 ❖ 完全自主知识产权与著作权的源代码 ❖ 专利及ISO质量体系认证证书 云翼超算（北京）软件科技有限公司 ESCAAS® 云翼超算（北京）软件科技有限公司 云翼超算（北京）软件科技有限公司于2016年在北京成立，主要从事 ESCAAS®系列软件研发、销售、技术服务的高科技公司。公司创始 人均具有CAE行业多年从业经验。截止2018年底，公司已经获得发明 专利1项，软件著作权9项。公司开发的ESCAAS®极限力学仿真软件， 主要用于碰撞、爆炸冲击、侵彻穿甲、动态裂纹扩展、增材制造、金 属成型、流固耦合、热流固强耦合等仿真。主要应用领域包括航空航 天、制造业、核工业、电子、船舶、兵器、国防、公共安全、铁路机 车、汽车、冶金材料、通用机械、教育科研等等。软件主要优势在于 高精度及稳定性的创新求解器；多物理场（热-流-固）强耦合算法； 基于物理的材料动态裂纹扩展；高效超大规模的并行计算能力；严格 的收敛性证明；高温、高压、高应变极限力学问题的仿真；开放灵活 的体系架构，完全自主知识产权，可深度进行二次开发等。 云翼超算公司致力于自主创新与国产化，以专业技术团队和自主创新 核心软件服务于高端设计制造企业。拥有国内外多名博士组成的技术 团队和开发团队，并有著名高校的教授为支持和顾问团队，能够以自 主软件为核心、以用户的需求导向形成专业的仿真平台及工具，服务 于用户的研发体系。云翼超算还提供高水平的工程咨询服务，帮助用 户解决实际工程问题。 办公地址：北京市朝阳区东三环北路辛2号迪阳大厦809B室 电话：010-84470288 传真：010-84470226 邮箱：jackson.jiao@iuitgroup.com 网址：www.escaas.com 云翼超算（北京）软件科技有限公司