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天河二号:“算”万吨轮船模型 缩短研发周期

发布时间:2021-07-19 17:49

在国家超级计算广州中心(以下简称“超级计算中心”)四楼的小会议室里,超级计算中心工程师张西挥舞着激光笔,正在讲解一艘载重量4万吨的化工运输船的模拟计算结果。在投影屏幕上,显示化学载体的三维模型,并对其进行不同条件下的应力分析,包括压力和速度的变化等。页面切换时,张西还介绍了使用不同软件模拟船型的异同和优缺点。

这是广州造船国际有限公司(以下简称“广州造船国际”)移交超级计算中心计算的第一艘船型。广船国际副总工程师陈豪及其技术团队观看,并不时与超级计算中心主任张西、袁学峰交流。

普通人关心的是“天河二号”每秒的出彩计算速度。对于老船厂来说,每天面对来自国际造船业的竞争,缩短产品开发周期、加快上市速度是企业在激烈竞争中取胜的必由之路。

对于“天河二号”来说,这是它最擅长的。目前,“天河二号”已服务全球676位客户,其中近三分之一来自广东。它正成为珠三角产业升级的“引擎”和“倍增器”。

“天河二号”的“全数字化设计制造应用服务平台”基于仿真的数字化技术,能够有效预测产品在现实世界中的性能,优化产品设计制造,缩短产品研发周期,实现投资价值最大化

这艘载重量4万吨的化学品运输船,全长183米,宽31米,吃水9.5米,是广州造船国际今年的主要产品之一。

陈豪告诉记者,船舶经济性是船厂最重要的指标和核心竞争力。要生产一艘船,如果你想在市场上销售,经济必须足够好。至少比韩国和日本造船厂好。“一艘受到市场欢迎的船舶,其水动力性能就体现出来了。换句话说,就是要优化船型设计,使船舶具有最高的载重能力,在航行时阻力更小,稳定性更强,能耗更低,使用时间更长。”

广州船厂国际希望通过超算模拟不同船型在水中的航行数据,获得并比较各种参数,确定生产的最佳船型。按照陈豪的说法,离船体的空间越近,模拟计算的精度就越高。“飞船的运行不是静止的。即使外部环境是静态的,螺旋桨周围也会形成涡流,这也会影响船体。再加上流动的水和空气,计算量更大。”陈豪说。

广船国际向超级计算中心提交船型基础数据后,张西利用自己的专业知识对船型进行重新建模,导入系统开始运行。他告诉记者,通过微调船型参数,计算其应力变化,可以确定最优方案。

超算模拟船舶应力时,将船舶周围环境划分为单元网格进行模拟。划分的网格越密集,计算量就越大。在听张西的解释时,陈豪提到,数百万个网格已经卡住了普通电脑。

然而,袁学峰用一句话打消了陈豪的顾虑:“几百万不算什么,即使几千万也行。这台超级计算机每秒有几十万亿的计算能力!”天河二号的浮点运算速度为每秒33.86 petaflops,位居世界第一。

其实广州船厂国际之前在上海和荷兰都做过超算模拟。荷兰机构专攻船体优化,拥有多年的专业经验和成熟的算法,但其超算性能不强。“和天河二号相比,可能就像是孩子和拳击手的对抗。”陈豪说。

“如果是传统方法,需要根据不同船型做不同的实验,周期长,成本高。如果用超级计算来模拟,可以一次性模拟出各种船型的受力情况。例如,10种船型可以在1-2小时内得到结果。”张西说。

袁学峰认为,第三次工业革命正在全球酝酿,其核心内容是如何将信息技术的大数据辐射到制造业和实体经济。因此,如何利用大数据将信息技术转化为生产力,是超级计算中心应用的核心内容,也是衡量一个国家创新经济竞争力的核心内容。

据介绍,“天河二号”拥有六大服务平台,其中一个是“装备全数字化设计制造应用服务平台”。“平台基于仿真的数字化技术,可以有效预测产品在现实世界中的表现,优化产品设计制造,缩短产品开发周期,实现投资价值最大化。”袁学峰说。

有些环境影响需要用计算机模拟,对软件和硬件的要求很高。然而,普通计算机无法完成这项工作,超级计算的强大性能可以保证任务的完成

一般来说,工程师会对一艘船进行1-2年的研究和优化设计,然后才有资格试航。优化后应进行发射试验,确认其性能合格。在测试过程中,工程师们将继续优化该船的制造工艺。

在如此漫长而复杂的制造过程中,造船业遇到了许多麻烦。陈豪承认,目前设计理论已经非常成熟,但通用计算设备的性能不足,很多问题无法解决。比如设计调整中一些随机现象的详细原因很难解释。“在之前的测试中,发现螺旋桨速度不稳定。我们知道船型有问题,但不知道具体问题发生在哪里。”。

过去,通过反复实验,技术人员能够对一些现象给出大致的答案。但是,随着市场对产品质量要求的提高,稍有瑕疵就会导致竞争失败。

“过去技术水平低,所以足以保证船在静水中运行良好。但实际上,大海辽阔,没有风,也没有三英尺的波浪,船舶在波浪冲击的情况下将如何运行是一个非常复杂的问题。”陈豪告诉记者,自然界的波很难在实验室模拟,随机性太强,很难通过实验充分验证。

以极地运输船为例,陈豪说,这艘船在前往极地地区时,并不是简单地通过水面或破冰。破冰时,由于冰的形成过程不同,冰的物理性质也不同,对船舶的影响也不同。这些环境影响要用计算机来模拟,对软件和硬件的要求都很高。但是普通的计算机做不到,超级计算强大的性能可以保证任务的完成。

“广州船厂国际希望利用超级计算等先进技术,从更小的细节中发现问题,优化每一个小细节,提高船舶的经济性。”陈豪透露。

袁学峰透露,超级计算中心计划通过广船国际的案例,吸引上海交通大学和浙江大学的技术人才,让更多人一起使用超级计算平台。在他看来,通过互联网进行协同设计和协同科研,可以更好地发挥超级计算平台的作用。

很多订单也有麻烦。按照传统的设计和制作方法,时间很紧。但是现在超级计算可以帮助加快设计测试阶段的进度,抓住时间,也就是抓住市场机会

过去的2015年,广州造船国际与瑞典STENA公司签订的3+2艘5万吨化工/成品油船后续建造合同生效,与TORM公司成功签订4+4+2油轮订单,与南京石油运输公司签订的2艘5万吨选择性船舶合同生效...临近年底,这一系列订单生效,为广船国际的船舶运营带来了完美的结局。据统计,截至2015年12月9日,广州船厂国际共订购民船及海上产品66艘,载重量约680万吨,超额完成年度经营任务。

陈豪告诉记者,去年很多船厂因为订单不足而破产,很多船厂经历了订单下滑,但广船国际还是能够交出一份满意的成绩单。据了解,目前广州船厂持有订单70余艘,其中油轮50余艘,订单已排到2018年上半年。

“很多订单都有问题。按照传统的设计和制作方法,时间很紧。但现在超级计算可以帮助我们加快设计测试阶段的进度,抓住时间,也就是抓住市场机会。”陈豪透露,在超级计算机的帮助下,广汽研究院将原本耗时两三年的新车模型设计缩短至五个月,通过仿真实现了优化设计和防撞性能测试,大大节约了成本。

虽然这只是双方第一次正式的技术交流会,但实际上,在接到广船国际的项目后,张西和广船国际的工程师们频繁互动,随时沟通工作进展。“可以说是大家计算出来的船型。”广船国际海洋技术部R&D室高级工程师王建华告诉记者。

以天河二号的性能,同时计算10种船型只需要1个小时左右。但事实上,也许更快。袁学峰告诉记者,“天河二号”还处于建设开发阶段,有的提供服务,有的还在建设调整中。目前天河二号约70%的资源可供开发,未来仍有无限空间。(记者黄祖建陈秦丝)

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