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船舶 CAE / Marine CAE

1. 船舶 CAE 全景：从 MarineFlow 与 SAM 认识流体、结构和数值求解 / Marine CAE with MarineFlow, SAM, Fluid Mechanics, and Structural Analysis

2. MarineFlow 与 SAM 的应用场景：工程问题如何选择软件 / Choosing MarineFlow or SAM for Engineering Scenarios

3. CAE 通用工作流：从工程问题到可信结论 / A General CAE Workflow from Engineering Questions to Credible Conclusions

4. 船舶流体物理：黏性、湍流、兴波、旋涡与空化 / Marine Fluid Physics with Viscosity, Turbulence, Waves, Vortices, and Cavitation

5. CFD 控制方程：质量、动量、压力耦合与离散系统 / CFD Governing Equations, Pressure-Velocity Coupling, and Discretization

6. MarineFlow 使用路线：从船体模型到流场和水动力结果 / A MarineFlow Workflow from Hull Geometry to Hydrodynamic Results

7. 船舶结构物理：载荷、应力、变形、振动与失稳 / Marine Structural Physics with Loads, Stress, Vibration, and Buckling

8. 有限元方法：结构怎样从连续物体变成 Ku=f / The Finite Element Method from Continuous Structures to Ku Equals f

9. SAM 使用路线：从结构建模到 Job、求解和后处理 / A SAM Workflow from Structural Modeling to Jobs and Post-Processing

10. 结构分析类型：静力、模态、动力、屈曲与非线性分别求什么 / Structural Analysis Types from Statics and Modes to Buckling and Nonlinearity

11. 流固耦合：MarineFlow 的压力怎样成为 SAM 的结构载荷 / Fluid-Structure Interaction from MarineFlow Pressure to SAM Loads

12. 工业求解中的方程与矩阵：看懂 CFD 和 FEA 的计算核心 / Equations and Matrices at the Core of CFD and FEA Solvers

13. 非并行优化：在增加核心之前先减少计算量 / Reducing Computation Before Adding Parallel Hardware

14. 并行加速场景详解：什么方程、矩阵和步骤适合什么方法 / Mapping Equations, Matrices, and Solver Stages to Parallel Methods

15. CPU、GPU 与 MPI：工业求解器怎样组合多层并行 / Combining CPU, GPU, and MPI Parallelism in Industrial Solvers

16. 仿真可信度：怎样避免得到“彩色但错误”的结果 / Simulation Verification and Validation for Credible Results

17. 综合案例：用 MarineFlow 与 SAM 串起船舶流体、结构和并行计算 / Integrated MarineFlow and SAM Cases Across Fluids, Structures, and Parallel Computing

本页目录

综合案例：用 MarineFlow 与 SAM 串起船舶流体、结构和并行计算 / Integrated MarineFlow and SAM Cases Across Fluids, Structures, and Parallel Computing ​

📅 创建时间：2026-07-20 🏷️ 标签：#综合案例 #船体阻力 #板架结构 #流固耦合 📚 前置知识：[[15-verification-and-validation]]

案例一：船体阻力计算 ​

工程目标 ​

比较两个船型在设计航速下的总阻力。

物理模型 ​

  • 不可压缩黏性流
  • SST k-ω 湍流
  • 空气-水 VOF 自由液面
  • 船体固定、来流运动

数值流程 ​

text
船体几何清理
→ 建立外部流体域
→ 自由液面和近壁网格加密
→ 初始化静水和来流
→ 求压力、速度、湍流和相分数
→ 积分船体表面力
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主要矩阵 ​

  • 非对称速度输运矩阵
  • 压力泊松型矩阵
  • 湍流输运矩阵
  • 相分数输运系统

加速策略 ​

  1. 两个船型分别计算，任务级并行。
  2. 单个算例使用 MPI 域分解。
  3. 压力方程使用多重网格。
  4. SpMV 和向量操作使用多线程或 GPU。
  5. 降低不必要结果写出频率。

验证 ​

  • 质量守恒
  • 阻力时间平均稳定
  • 粗中细网格
  • 计算域敏感性
  • 与拖曳水池或经验方法对比

案例二：螺旋桨敞水性能 ​

工程目标 ​

获得不同进速系数下的 KT、KQ 和效率曲线。

物理 ​

  • 旋转流动
  • 湍流
  • 叶尖涡
  • 可选空化

方法选择 ​

  • 先用旋转参考系计算平均性能
  • 需要周期载荷时使用瞬态滑移网格
  • 需要空化时加入相变模型

加速 ​

  • 各进速系数独立并行
  • 周期扇区对称减少计算域
  • MPI 域分解
  • 瞬态结果在线统计周期平均

案例三：加筋板静力分析 ​

工程目标 ​

判断均布压力下的位移、应力和载荷路径。

SAM 流程 ​

text
Part 创建板和加强筋
→ Property 设置材料、板厚和梁截面
→ Assembly
→ Static Step
→ 约束和压力
→ 网格
→ Job
→ 位移、应力和反力
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方程 ​

text
Ku=f
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若 K 为 SPD：

  • 中型模型可使用 Cholesky
  • 大型模型可使用 CG + AMG

加速 ​

  • 单元刚度并行计算
  • 图着色或线程局部组装
  • 多核/分布式线性求解
  • 多载荷工况复用矩阵分解

验证 ​

  • 支撑反力与外载荷平衡
  • 与简化梁板理论比较
  • 网格收敛
  • 避免把点载荷奇异应力作为结论

案例四：板架模态与响应谱 ​

第一步：模态 ​

text
Kφ=ω²Mφ
1

求低阶模态，检查刚体模态和主要振型。

第二步：响应谱 ​

对各模态读取谱响应，并用 CQC/SRSS 等规则组合。

加速 ​

  • Lanczos/LOBPCG 块特征值算法
  • 线性分解复用
  • 多向量并行
  • 多个谱方向或参数独立并行

案例五：线性屈曲与非线性屈曲 ​

线性屈曲 ​

快速得到理想临界载荷因子和屈曲形态。

非线性屈曲 ​

把线性屈曲模态作为初始缺陷，加入材料和几何非线性，逐步加载。

计算区别 ​

  • 线性屈曲：特征值问题
  • 非线性屈曲：多轮 Newton 线性系统

加速 ​

  • 并行单元积分和组装
  • 并行稀疏求解
  • 载荷步间复用符号分解或预条件结构

但收敛困难时，优先调整弧长法、增量和模型，而不是增加核心。

案例六：船体压力到结构强度 ​

MarineFlow ​

输出船体表面稳态或瞬态压力。

数据处理 ​

  • 坐标变换
  • 单位变换
  • 压力去基准
  • 非匹配网格映射
  • 总力和力矩守恒检查

SAM ​

把映射压力施加到壳结构，进行静力或动力响应。

并行 ​

  • CFD 和 FEA 各自域并行
  • 映射搜索并行
  • 多时间帧并行预处理
  • 多频率或多工况并行

推荐学习实验 ​

实验 1：二维泊松方程 ​

理解稀疏矩阵、CG 和多重网格。

实验 2：悬臂梁有限元 ​

理解单元矩阵、组装、约束和应力恢复。

实验 3：二维不可压缩方腔流 ​

理解压力-速度耦合和 CFD 迭代。

实验 4：稀疏 SpMV CPU/GPU 对比 ​

理解内存带宽限制。

实验 5：MPI 二维网格域分解 ​

理解 Halo Exchange、强扩展和通信开销。

实验 6：压力场映射到结构网格 ​

理解坐标、插值、守恒和流固数据接口。

完成本专题后应能回答 ​

  1. MarineFlow 和 SAM 分别解决哪些船舶工程问题？
  2. 阻力、湍流、自由液面和空化是什么物理现象？
  3. 静力、模态、屈曲和非线性分析求解的方程有何区别？
  4. CFD 和 FEA 为什么最终都会产生稀疏矩阵？
  5. SPD、非对称和不定矩阵应选择什么求解器？
  6. 为什么 SpMV 适合 GPU，却经常受显存带宽限制？
  7. 为什么 AMG 适合压力和弹性问题？
  8. 为什么直接法适合多右端项？
  9. 为什么显式动力容易并行却可能需要极多时间步？
  10. 什么情况下算法改进比并行更有效？
  11. MPI 域分解为什么会受到 Halo 和 AllReduce 限制？
  12. 怎样证明一张云图是可信工程结果？

返回专题首页：[[00-marine-cae-overview]]

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