Simulación HPC Supercomutación para la simulación de soldadura con FabWeld y LS-DYNA

Resumen

La simulación de soldadura está despertando un interés cada vez mayor en la industria. En particular, se presta especial atención al cálculo previo de la deformación por soldadura y a la determinación de posibles medidas para reducirla. En la aplicación industrial, los conjuntos de gran tamaño o los componentes multicapa de paredes gruesas desempeñan un papel predominante. Precisamente estas tareas plantean a la simulación de la deformación por soldadura el reto de tener que resolver grandes problemas numéricos. En el siguiente artículo se pretende mostrar qué posibilidades ofrece el cálculo de alto rendimiento para abordar y acelerar el cálculo de tareas de soldadura. Además, se expone que, gracias a la posibilidad de que las pequeñas y medianas empresas obtengan potencia de cálculo bajo demanda de centros de cálculo de alto rendimiento y subcontraten la creación de modelos a proveedores de servicios de ingeniería con experiencia, la tecnología de la simulación de soldadura está ahora a su alcance sin necesidad de realizar grandes inversiones.

Introducción
En el marco del proyecto PRACE SHAPE «HPC Welding» [1], la empresa de ingeniería Tobias Loose utilizó los solucionadores paralelizados de LS-DYNA para realizar simulaciones de estructuras soldadas en el superordenador Cray XC40 «Hazel Hen» del Centro de Cálculo de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS).

Se configuraron una serie de modelos de ejemplo de aplicaciones industriales con DynaWeld, un preprocesador para la simulación de soldadura y de tratamiento térmico, y se calcularon en un número variable de núcleos (cores). El solucionador mecánico explícito de LS-DYNA se probó en hasta 4080 núcleos, mostrando un comportamiento de escalabilidad notable. Por lo que sabemos, es la primera vez que se calcula una simulación de estructuras soldadas con el solucionador explícito de LS-DYNA en 4080 núcleos.

La aplicación práctica de la simulación de estructuras soldadas radica en la predicción de la deformación por soldadura. El objetivo de la simulación es estimar la deformación por soldadura ya en la fase de diseño. De este modo, se puede tener en cuenta en la construcción. Además, con ayuda de la simulación se pueden desarrollar y diseñar medidas para la compensación de la deformación, tanto en la fase de diseño como en la de fabricación.

Simulación de estructuras soldadas
La simulación de estructuras soldadas es una aplicación de elementos finitos (EF) de gran complejidad [2]. Requiere una discretización de malla muy fina en la zona de la soldadura, lo que, junto con el uso de componentes de gran tamaño y tiempos de soldadura prolongados, conlleva largos tiempos de cálculo.

La computación de alto rendimiento (HPC = High Performance Computing), combinada con el cálculo paralelizado (MPP = procesadores masivamente paralelos), puede paliar esta desventaja. Es sabido que el código de elementos finitos LS-DYNA ofrece un buen rendimiento en ordenadores de alto rendimiento en aplicaciones de colisión y conformado con el algoritmo de solución explícito. Según la información de que disponen los autores, hasta la fecha no se había realizado ninguna prueba de rendimiento para simulaciones de soldadura con LS-DYNA. Este proyecto analizó la viabilidad de las simulaciones de estructuras soldadas con los solucionadores paralelizados de LS-DYNA y su rendimiento.

En el proyecto se utilizó una versión de LS-DYNA específica para Cray, mpp de doble precisión (I8R8). La versión utilizada, la revisión 103287, fue compilada por Cray utilizando el compilador Intel Fortran 13.1 con soporte para SSE2. Se utilizó el modo de escalabilidad extrema (ESM).

Además, se utilizó el preprocesador comercial DynaWeld [3,4] para crear los modelos de simulación de soldadura para el solucionador.

Tareas de soldadura
La tecnología de soldadura abarca una amplia gama de diferentes tipos de cordones de soldadura, procesos de soldadura, conceptos de sujeción y ensamblaje, así como medidas y dimensiones de los componentes, como por ejemplo: soldadura por arco, soldadura por láser, procesos lentos, procesos de alta velocidad, chapas finas, placas gruesas, cordones de una sola capa, cordones de varias capas, conjuntos sin sujeción, conjuntos totalmente sujetos, pretensado y preformado. Esto pretende poner de manifiesto que no existe una única simulación de estructuras de soldadura, sino que se requiere un gran número de técnicas de modelización para abarcar todas las variantes de la soldadura. Por consiguiente, la simulación de soldadura para la computación de alto rendimiento no puede estudiarse como un caso general con un único modelo. Más bien, deben considerarse por separado los distintos métodos de modelización.

En este proyecto se han tenido en cuenta diversas variantes representativas de modelización de la simulación de estructuras soldadas con el objetivo de abarcar el mayor ámbito de aplicación posible. La imagen 1, por ejemplo, muestra el modelo de una viga curvada soldada con gas protector. Este modelo representa un ejemplo industrial complejo con grandes dimensiones y numerosas soldaduras.

Figura 1: Modelo de una viga curvada soldada por arco

En el proyecto se eligió como ejemplo de prueba para el análisis explícito una lámina de acero del tipo 1.4301 soldada con un láser de alta velocidad sin material de aportación (figura 2). Este ejemplo se malló con 200 000 elementos de cáscara (EDB) y un millón (MDB) de elementos de cáscara.

Figura 2: Modelo de una lámina delgada soldada con láser de alta velocidad

Resultados del proyecto
Los ejemplos de prueba con análisis explícito mostraron los siguientes resultados: el comportamiento de escalado, representado en una escala doble logarítmica, es lineal hasta 4080 núcleos, con una pendiente prácticamente constante (figura 3).

Figura 3: Aceleración del tiempo total de cálculo en el análisis explícito

A partir de 96 núcleos, el modelo MDB, con 1 millón de elementos, presenta una mejor escalabilidad que el modelo EBD, con 200 000 elementos. Esto se debe a que el número de elementos por dominio de núcleo es mayor en el modelo MDB. Si se analiza la eficiencia de paralelización (la relación entre la aceleración del cálculo y el número de núcleos), el modelo más grande alcanza un valor de 0,45 con 768 núcleos y un valor de 0,4 con 4.080 núcleos.

Uno de los resultados fundamentales del proyecto son las recomendaciones sobre la elección del número de núcleos para alcanzar un rendimiento óptimo, así como la aceleración del cálculo que cabe esperar de ello. El número óptimo de núcleos y la aceleración de cálculo correspondiente dependen del tipo de modelización.

Gracias a este proyecto SHAPE [1], se conoce mucho mejor la utilidad fundamental que puede ofrecer la computación de alto rendimiento en la simulación de soldadura, lo que permite disponer de una base de cálculo más precisa para los proyectos de prestación de servicios.

El proyecto sienta las bases fundamentales para la investigación y el desarrollo futuros de simulaciones de soldadura con computación de alto rendimiento.

Conclusión
Las pequeñas y medianas empresas pueden beneficiarse ahora de los métodos modernos de simulación de soldadura, incluso en el caso de conjuntos soldados complejos y de gran tamaño, sin tener que invertir ellas mismas en costosos sistemas informáticos. El proyecto presentado ha demostrado el uso satisfactorio de la tecnología de supercomputación para el cálculo de las deformaciones por soldadura. Gracias a la posibilidad de adquirir potencia de cálculo y de recurrir a proveedores de servicios de ingeniería con experiencia para la creación de modelos de simulación de soldadura, esta tecnología está hoy en día al alcance de cualquier empresa de soldadura.

Agradecimientos
Este trabajo ha contado con el apoyo financiero del proyecto PRACE, financiado en parte por el Programa Marco de Investigación e Innovación de la UE «Horizonte 2020» (2014-2020) en virtud del acuerdo de subvención n.º 653838.

Bibliografía
[1] Loose, T.; Bernreuther, M.; Große-Wöhrmann, B.; Göhner, U.: Proyecto SHAPE, Oficina de Ingeniería Tobias Loose: HPCWelding: Análisis de soldadura paralelizado con LS-DYNA, Libro blanco de SHAPE, 2016, http://www.prace-ri.eu/IMG/pdf/WP220.pdf
[2] Loose, T.: Influencia del proceso de soldadura transitorio en la deformación, las tensiones internas y el comportamiento de estabilidad de las cubiertas cilíndricas circulares de acero sometidas a compresión axial, Tesis doctoral, Universidad de Karlsruhe, 2007
[3] Loose, T.; Mokrov, O.; Reisgen, U.: SimWeld y DynaWeld: herramientas de software para configurar modelos de simulación para el análisis de estructuras soldadas con LS-DYNA. En: Welding and Cutting 15, pp. 168-172, 2016