Сравнение скорости вычислений CAE Fidesys, ANSYS и Nastran

Релиз новой версии 7.2 пакета для расчетов прочности конструкций и теплопереноса CAE Fidesys состоялся 12 марта 2025 года. История этого пакета началась в не столь далеком 2009 году, когда специалистами и выпускниками кафедры вычислительной механики МГУ им. М.В. Ломоносова была основана компания «Фидесис» для разработки отечественной реализации метода конечных элементов. www.cae-fidesys.ru

Во всем мире для расчетов прочности и теплопереноса методом конечных элементов наиболее часто используют два расчетных пакета — это ANSYS от одноименной компании ANSYSInc. (США) и Nastran, основными разработчиками которого являются компании MSC Software (США) и Siemens Digital Industries Software (США).

Авторитет данных решений непререкаем во всем мире. Однако на текущий момент упомянутые компании прекратили свою работу в России. Официальная техническая поддержка не оказывается, обновления недоступны, официально купить лицензии тоже нельзя.

Любой расчетный пакет — это гарантия достоверности результатов расчетов и быстрота их получения. Время, которое требуется для получения результата расчета, складывается из времени на подготовку расчетной модели и времени, которое тратится непосредственно на сам расчет.

Летом 2023 года, когда вышла версия CAEFidesys 6.0, разработчиками пакета было проведено сравнительное тестирование производительности новой версии программного обеспечения с версией ANSYS 2020 R1. Прошло почти два года, и эксперты «Борлас» решили провести новое независимое сравнение только что вышедшей версии CAEFidesys 7.2 с ANSYS, добавив к ним в компанию Nastran.

В качестве критериев производительности решателей расчетных пакетов были взяты время выполнения расчета и количество требуемой оперативной памяти. Также было интересно сравнить, как проходит процесс самого расчета в сравниваемых пакетах и, возможно, выявить узкие места. Как оказалось, это привело к неожиданным выводам.

 

Конфигурация стенда

В отличие от прошлого тестирования, в данных тестах не стояла задача получить максимальные показатели. Целью, скорее, было проведение тестирования на среднестатистическом рабочем месте, которое в основном используется большинством инженеров-расчетчиков.

Процессор:

  • AMDRyzen 7 3700X 8-ядерный процессор, 3.6 MHz;
  • технология SMT (Simultaneous Multithreading) была отключена. В операционной системе процессор определялся как 8-ядерный, а не 16-поточный. ANSYS и Nastran рекомендуют отключать поддержку многопоточности для прочностных пакетов.

Материнская плата:

  • MSI MAG B550M Mortar Max WiFi, Socket AM4.

Память:

  • 64 Гбайт DDR4-2400 (1200 MHz) 4x16 GB работает в 2-канальном режиме.

Операционная система:

  • Windows 10 Pro.

Стенд не разогнан. Никаких дополнительных тонких настроек, оптимизации и чистки не проводилось. На стенде установлены CAE Fidesys 7.2, ANSYS 2022R1, SimcenterNastranv2212 и дополнительное ПО, которое используется в расчетной практике (Офис, CAD-пакет и т.д.).

 

Методика тестирования

Подготовлена конечно-элементная расчетная модель в CAE Fidesys (рис. 1). Произведен экспорт из CAE Fidesys в формате CDB в ANSYS и формате BDF в Nastran. Все три расчетные модели являются идентичными с точки зрения конечно-элементной сетки, граничных условий и нагружения.

Рис. 1. Расчетная модель

 

Расчетная конечно-элементная модель — это куб, разбитый 8-узловыми гексаэдральными объемными элементами типа SOLID.

При конвертации из CAE Fidesys 8-узловые конечные элементы в ANSYS соответствуют SOLID185. При конвертации в Nastran — это CHEXA8.

По одной грани куб закреплен по всем степеням свободы.

Приложена инерционная нагрузка 1G— глобально гравитация по оси Z(ко всей модели).

Результаты расчета стандартные и минимальные — это напряжения и деформации (компоненты, главные, по Мизесу), перемещения по трем осям декартовой системы координат.

Тесты запускались из командной строки с помощью предварительно подготовленных файлов на запуск решателя.

Расчеты проводились прямым и итерационным методами. Количество конечных элементов в модели варьировалось. Для прямого метода использовалось разбиение куба на 125 000, 250 047 и 493 000 конечных элементов. Для итерационного добавлено разбиение на 1 000 000 и 2 000 376 конечных элементов.

Дополнительной настройки решателей не производилось. Исключением является только выбор метода – прямого или итерационного.

Сравнивалось время расчета и потребление оперативной памяти. Потребление памяти и загрузка ЦПУ записывались с помощью встроенного в Windows ОС стандартного инструмента PerformanceMonitor (perfmon) и его консольной части logman с частотой 1 секунда.

Сравнение проведено для элементов 1-го порядка. Результаты тестирования и графики процессов приведены на рис. 2-5.

 

Рис. 2. Время расчета 
(прямой метод), с
Рис. 3. Время расчета 
(итерационный метод), с
Рис. 4. Потребление оперативной памяти 
(прямой метод), Гбайт

 

В Nastran использовался стандартный файл настроек nastran.rcf с параметром memory = 0.45*physical. Ввиду этого мы видим ограничение 28,8 Гбайт.

 

Рис. 5. Потребление оперативной памяти (итерационный метод), Гбайт

 

Для более глубокого понимания процесса расчета в сравниваемых пакетах на рис. 6-11 приведены графики использования ЦПУ и потребления памяти, записанные с интервалом в 1 секунду.

 

Рис. 6. CAE Fidesys, прямой метод, 493039 КЭ

 

Рис. 7. CAE Fidesys, итерационный метод, 2 000376 КЭ

 

Рис. 8. ANSYS 2022 R1, прямой метод, 493039 КЭ

 

Рис. 9. ANSYS 2022 R1, итерационный метод, 2000376 КЭ

 

Рис. 10. SimcenterNastranv2212, прямой метод, 493039 КЭ

 

Рис. 11. SimcenterNastranv2212, итерационный метод, 2000376 КЭ

 

Решатель NastranSOL101 так и не удалось заставить загрузить все ядра на 100% при решении итерационным методом на данной модели при стандартных настройках. Большая часть времени в нем тратится на подготовку решения и запись результатов, которые происходят на одном ядре. Само решение системы уравнений занимает очень небольшой отрезок времени.

Можно долго гадать, что каждый из решателей делает и как, но нас интересует общее время — от запуска решения до получения результата.

Результаты расчетов везде идентичны.

 

Подведем итоги

ANSYS по скорости работы математического аппарата показал себя наилучшим образом. Скорость работы и использование памяти демонстрируют чудеса оптимизации кода и алгоритмов. CAEFidesysпроявил себя весьма уверенно в таком элитарном окружении, уступив только ANSYS. А вот к Simcenter Nastran неожиданно появилось много вопросов…

И немного информации к размышлению.

Разработка ANSYS началась в 1969 году и ведется уже 55 лет.

Разработка Nastran началась в 1965 году по запросу NASA и ведется более 60 лет.

CAE Fidesys на данный момент 16 лет. Текущая версия — 7.2. Активно ведутся разработки 8-й версии.

Относительно молодому отечественному пакету CAEFidesys за свою чуть более чем 15-летнюю историю удалось добиться большого успеха, встав на один уровень с признанными во всем мире лидерами решений для прочностного анализа. В последующих статьях мы планируем рассказать о скриптовом макроязыке Fidesys, выяснить, какие преимущества дает метод спектральных элементов, реализованный в Fidesys параллельно с классическим методом конечных элементов, и коснуться темы, которая очень редко затрагивается, — постпроцессора и обработки результатов расчета.

Гонка вычислений продолжается!

Артамонов Александр Сергеевич, руководитель группы инженерного анализа и интеграции CAE, Группа «Борлас» (входит в ГК Softline)

Источник: "САПР и графика", №4 - 2025 
Читать статью в PDF