MPI并行计算在铸造充型模拟中的实现

摘要

在铸造领域中，铸件充型过程对铸件的质量有着重要的影响。采用数值计算方法，不仅可以模拟出液态金属在铸型中的流动状态，并根据模拟得到液态金属的流动速度，压力等变化规律优化浇冒口系统设计，防止浇道中吸气，消除流股分离现象以避免氧化，减轻液态金属对铸型的冲蚀，而且可以模拟出液态金属的温度分布，从而预测浇不足，冷隔等缺陷，为后续的凝固过程模拟分析提供条件。在串行程序的模拟下，所需的时间往往很长，严重延长了制定一个铸件最终工艺方案的过程。并行计算的应用正可为此问题的有效解决提供了有力的保证。
　　并行计算，就是在具有多个CPU的并行计算机上进行并行程序设计，显式地说明计算中不同部分如何在不同处理器上同时执行，实现多组计算任务同时进行，使原来按序列依次进行的计算工作并行完成。与传统的串行计算相比，其优点是具有巨大的数值计算和数据处理能力，可以加快速度，节省投入，变相突破物理极限的约束。本文的并行硬件环境实现是由局域网中的三台不同体系结构的普通PC构成的异构机群平台，而并行软件环境是采用应用最广泛的标准化的消息传递并行语言库MPI的最新实现版本MPICH2和Visual C++6.0结合来实现。
　　通过对某一铸件三维模型的均匀网格剖分，获取网格的相关数据并编写其读取程序。且在WINDOWS环境下用C++语言和MPI库函数对铸件充型过程中的数值模拟方法中的SOLA－VOF法的数学模型进行并行程序的设计。后通过程序的调用和调试，模拟铸件的充型过程。并基于所构建的并行环境，分别以不同节点数目和不同网格数目的组合来对铸件流场的MPI并行模拟算法进行效率测试。MPI并行化后的模拟计算有效的提高了模拟速度，且在同一计算规模下随着节点数的增多模拟速度得到了相应提高。证明了采用并行搜索模型算法在中小计算规模的情况下，能够较大的提高计算效率，减少计算时间。在异构的Windows机群平台上，用VC++6.0和MPICH2对金属充型过程流场模拟可以成功地进行并行程序开发，所开发地程序运行正常，并较好地提高了计算效率。

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1 绪 论

1.1国内外研究现状

1.2课题学术和实用意义

1.3课题研究的目的，内容和技术路线

1.4课题研究的创新之处和要解决的关键问题

2 MPI并行编程技术

2.1 并行计算

2.2 MPI 编程

2.3 本章小结

3 铸造充型模拟的前期处理

3.1 铸造充型过程的特点

3.2 铸造充型模拟的数值计算

3.3 本章小结

4 铸造充型模拟的串行程序实现

4.1 程序设计

4.2 程序编制

4.3 本章小结

5 铸造充型模拟的MPI并行计算实现

5.1 MPI并行环境构建

5.2 流场模拟MPI并行编程实现

5.3 流场并行模拟过程及结果

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附 录