开源框架MUSEN：高效GPU加速DEM模拟工具

软件X 12（2020）100618原始软件出版物MUSEN：GPU加速DEM模拟的开源框架MaksymDosta，Vasyl Skorych德国汉堡工业大学，固体工艺工程与颗粒技术研究所，Denickestrasse 15，21073 Hamburg，ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收13八月2020收到修订版2020年9月29日接受2020年保留字：离散元方法a b st ra ct介绍了一个开放源码的DEM模拟框架MUSEN的概念设计、实现过程和主要特点。MUSEN是为高效计算而开发的，可以在配备通用图形处理单元（GPU）的个人计算机上执行。非常直观的图形用户界面大大简化了系统的使用并缩短了学习时间。它使这个框架成为理想的软件工具，用于教育目的和解决经典问题的固体过程工程。没有丰富经验的用户可以轻松指定初始场景，执行模拟和分析结果。同时，系统的模块化结构允许其扩展新的组件，计算算法或接触模型。©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.65.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00025代码海洋计算胶囊法律代码许可证BSD-3条款使用git的代码版本控制系统使用C++、Qt、CUDA、GLSL、zlib、protobuf的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性Windows，Visual Studio 15 2017，Qt 5.12.3 msvc2017_64，Qt Visual Studio Tools适用于Visual Studio 2017、CUDA 10、Git如果可用，链接到开发人员文档/手册https://msolids.net/musen/documentation/问题支持电子邮件dosta@tuhh.de软件元数据当前软件版本1.65.0此版本可执行文件的永久链接https://msolids.net/musen/download/法律软件许可证BSD-3条款计算平台/操作系统Microsoft Windows，Ubuntu安装要求依赖关系Visual C++ Redistributable for Visual Studio 2017，CUDA 10如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://msolids.net/musen/documentation/问题支持电子邮件dosta@tuhh.de1. 动机和意义离散单元法是颗粒材料微观模拟的标准方法它被应用于*通讯作者。电子邮件地址：dosta@tuhh.de（M. Dosta）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100618从与力学行为建模相关的经典问题（Zhu等人，2008 [1]）开始，到模拟烧结过程等高级应用（Besler等人，2016 [2]; Dosta等人，2020 [3]）结束的广泛任务。离散元法意味着通过计算每个物体的牛顿方程来计算大量小物体（通常是球形粒子）的运动。这种方法使DEM相对简单和高度灵活，但同时2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxM. Dosta和V. 斯科雷奇软件X 12（2020）1006182时间，计算密集型。关于该方法的数学方面的更详细的信息可以从（Pöschel et al.2005 [4]; Kruggel-Emden等人2007 [5]; Zhu等人，2007 [6];有不同的开源和专有软件工具，其中DEM计算可以执行.一些广泛使用的专有系统是：EDEM（EDEM在线[8]），PFC 3D（PFC在线[9]），Rocky DEM（Rocky在线[10]）等。2011 [11]，LIGGSYS在线[12]），YADE（Kozicki Donze，2009[13]，Yade在线[14]），Woo（Woo在线[15]），Mercury在线[Weinhart等人，2020 [16]，Mer-curySYS在线[17]），GranOO（ Andrè 等 人 ， 2014 [18] ， GranOO 在 线 [19] ） ， MechSys（MechSys在线[20]）等。所有这些系统中的通用计算算法都是相似的。它通常包括三个基本步骤：接触检测，力的计算和运动的集成。此外，根据待解决问题的类型，这些步骤可以通过生成新粒子、将其移除、连接到流体相等来扩展（Norouzi et al. 2016[21]; Kieckhefen et al. 2020 [22]）。然而，在实现方面以及对各种功能和扩展的支持方面其中可以区分为：图形用户界面;接触检测方法;与其他模拟方法（CFD、FEM、SPH等）耦合和外部程序包;非球形、复合、可变形和可破坏物体的建模;• 计算的并行化• 模拟结果的存储和分析在这篇文章中，我们提出了一个开源的仿真框架-MUSEN。它的显著特征之一可能是突出的：- 直观易用的图形用户界面;- - 由于支持通用图形处理单元（GPGPU）上- 有效的多重网格接触检测算法;- 跨平台可用性;- 简单的安装程序。由于这些特点，MUSEN具有很高的潜力，可用于教育和研究目的。2. 软件描述2.1. 方法MUSEN框架是基于软球离散元法（DEM）。蛙跳算法被用作时间积分方案。对于接触检测，实现了Verlet列表方法（Verlet，1967 [23]）与链接单元算法（Quenterec等人，1973 [24]）的组合。整个模拟体积用恒定大小的网格离散成一组较小的单元，并且仅在位于相邻单元中的颗粒之间执行接触检测。最重要的是，多重网格方法（Mio等人，2007 [25]）用于更快地处理具有宽尺寸分布的颗粒集。根据颗粒的尺寸分散性，模拟区域由几个不同尺寸的体积网格进行相似的离散在这种情况下，在粗网格上执行大颗粒对之间以及大颗粒和小颗粒之间这大大减少了构建Verlet列表所需的比较操作的数量。最后，Verlet列表中填充了可能在特定截止距离内发生的接触。这意味着它可以用于几个连续计算步骤而无需重新计算。因此，最佳截止距离的选择可以显著影响计算的性能。一方面，较大的值会导致更高的内存消耗和更大的潜在联系人列表，这些联系人应该在每个时间步骤中进行分析。短距离，另一方面，需要非常频繁地重新计算列表。因此，一种自动调整截止距离的策略已经在MUSEN中开发和实现。一个DEM模拟步骤的平均执行时间被存储和分析作为主要的性能特征。在特定步数之后，基于为先前截止距离收集的性能统计数据这允许考虑计算资源（CPU和GPU）的实际负载MUSEN提供不同的接触模型，这些模型被分组分为以下四类：粒子-粒子：粒子间的相互作用;颗粒壁：固体键：模拟聚集体或异质材料的键合粒子模型（BPM）;外场：处理作用在粒子上的任何类型的外力。MUSEN提供各种内置接触模型，例如广泛使用的以及描述特定过程 的 更 专 业 的 模 型 ， 例 如 烧 结 （ Parhami McMeeking ， 1953[29]）。颗粒的接触半径可以偏离其物理半径，允许考虑非接触相互作用，例如范德华力或静电力。为了描述几何形状和计算在这里，颗粒和三角形之间的接触点可以位于三角形的小平面上、三角形的边缘上或三角形的顶点上。由于接触检测是针对每个单独的三角形单独执行的，因此可以为单个粒子找到与几何体的多个冗余接触。为了消除这种情况，应用了唯一性检查（Su等人，2011 [30]）。在MUSEN中，壁之间没有接触检测，但是，可以模拟由颗粒壁应力引起的几何形状的单轴对于每一种几何形状，人们可以指定自由运动的方向.在这种情况下，几何体的平移运动将根据作用在其上的总力和用户指定的质量可以应用对粒子、固体键和壁有效的立方周期边界条件PBC不仅可以用于模拟本身，还可以用于生成初始粒子填充或形成固体键。这允许创建具有一致初始条件的场景（Dosta等人，2020[3]）。在MUSEN中，使用BPM将非球形或不规则形状的对象表示为一组与固体键连接的较小球体（Dosta等人，2019 [31]，Kozhar等人，2016 [32]）。这允许执行非球形、可变形或可破坏物体的模拟。2.2. 软件构架一个简化的代表性的一般架构的MUSEN系统显示在图。1.一、系统结构扮演着核心角色，它包含了所有关于被模拟过程的固定和时间相关的信息每个场景都是········M. Dosta和V. 斯科雷奇软件X 12（2020）1006183由一组物理对象，如球体，固体债券，墙壁等描述的系统结构的整个时间相关的信息可以保存到或从二进制或文本格式的文件加载。为了处理大量的数据，在运行时在硬盘驱动器上进行自动缓存。要对文件执行各种修改操作（例如，从文件中删除特定时间点或将多个文件合并为一个文件），可以使用文件工具该系统具有跨平台的图形和命令行用户界面。命令行界面允许以批处理模式运行计算，并执行数据提取和结果分析操作。GUI还允许可视化数据和精细修改系统结构。DEM模拟可以在CPU上执行，在GPU上。在这两种情况下，轻量级的简化场景生成系统结构和DEM模拟执行相应的模拟器。在模拟过程中，可以使用颗粒与颗粒、颗粒与壁面、外力场等各种类型的接触模型存在简化场景生成的辅助组件：包装生成器：将颗粒包装成指定体积;债券发生器：产生债券之间的主要parti- cles;对象生成器：在模拟过程中生成新的对象;结果分析器：在后处理过程中分析模拟结果.有三种不同类型的数据库，它们大大简化了以前定义的实体的重用。它们被存储为单独的文件，并包含有关不同几何形状，团聚体和材料的信息。图中所示的大部分组件。1编译成静态库并直接链接到程序。然而，它是可能的创建任何类型的接触模型独立的建模系统，实现所提出的接口，并使用只有几个源文件。图图2示意性地示出了颗粒-颗粒接触模型的界面。用户可以提供CPU（CalculatePPForce），GPU（Cal- culatePPForceGPU）或同时为两种架构的实现。为了使这些外部模型能够被使用，它们被编译成动态库并在运行时链接到系统2.3. 实施方面和软件功能MUSEN是用C++语言编写的，使用面向对象的编程范式，大量使用标准模板库和C++14标准的功能。该系统由一组类组成，分为几个子类别，如交互模型，Qt对话框，数据库等。模拟结果存储为单个二进制文件。数据序列化使用ProtocolBuffers [33]库执行。该库的使用，一方面，使得它很容易改变和扩展数据结构，另一方面，提供了兼容性，为各种硬件配置和操作系统 。 此 外 ， Protobuf 使 用 来 自 zlib 库 [35] 的 DEFLATE 压 缩 算 法（Deutsch，1996 [34]）减少了存储数据的大小。有关保存模块和数据保存扩展方法的更详细描述，请参见Dranyshnikov等人（2019）[36]。跨平台图形用户界面（GUI）是使用Qt库实现的[37]。使用GUI，用户可以创建，修改和可视化仿真场景，指定仿真参数并定义所有程序设置。主程序窗口如图所示。3.第三章。为了快速有效地对可能存在于场景中的大量对象进行3D可视化，使用GPU加速渲染。该实现通过Qt OpenGL模块[39]利用OpenGLAPI [38]，该模块提供了围绕OS特定图形界面的平台无关包装器。为了提高性能，每个对象的可视化描述的顶点和片段着色器的GLSL语言编写的装置。此外，用户可以通过上传新图像或使用内置图像来修改粒子MUSEN中的计算针对多核CPU和通用GPU进行了并行化根据共享内存模型，采用基于C++标准库中std：：thread类的软件设计模式Thread Pool，实现了CPU的并行化GPU计算使用CUDA计算平台执行，该平台允许在合理的时间内模拟数百万个离散对象的场景（Dosta等人，2020 [3]）。所有与运动积分相关的操作都在MUSEN中以双精度执行。在GPU计算的情况下，使用混合方法，其中在CPU上执行接触检测，并且在GPU上执行力的计算和运动的积分。在CPU上计算的Verlet列表不仅包含当前活动的接触，而且包含在由截止距离确定的特定时间段内可能发生的所有潜在接触的集合。因此，不需要在每一步之后在CPU和GPU之间传输数据，这显著提高了计算效率，但增加了GPU的内存需求在每个时间步中，在GPU上评估来自潜在接触列表的粒子的实际坐标仅为此列表计算接触模型。GPU内存中的数据结构，作为一组单独的矢量，示意性地显示在图。四、为了利用合并数据访问的特征，并因此减少数据访问操作的数量，根据粒子的坐标对粒子进行排序。为此目的，使用三维Morton空间填充曲线（Morton，1966 [40]）。在接触模型中计算的力和力矩使用原子CUDA操作直接添加到粒子中，这避免了使用临时缓冲区，从而避免了两个冗余的写入和读取操作。应该注意的是，由于原子操作的不确定顺序和浮点操作的有限精度，可能会出现模拟结果的轻微偏差使用Microsoft Visual C++ 2017编译和构建MUSEN在Windows平台上编译，在Linux平台上编译适用于Windows的MUSEN安装包是使用Inno Setup [41]实用程序组装的3. 说明性实例为了说明MUSEN框架的适用性，下面显示了两个模拟研究（图1和图2）。第5和6段）。在第一个例子中，分析了两种类型的颗粒在配备有垂直混合叶片的混合器中的动力学该装置填充有大约387万个直径为100微米的颗粒。颗粒的所有性质都是相同的，除了它们的颜色。在图5中，示出了初始理想分离状态以及3次和15次旋转后的粒子表1使用CPU和混合CPU-GPU执行模式的计算时间CPU [h]CPU–GPU混合：1 s的处理时间2129弯曲试验：直至断裂402.05····M. Dosta和V. 斯科雷奇软件X 12（2020）1006184图1.一、M U S E N 框 架 主要组成部分的 示 意 图 。图二. 用于创建粒子-粒子相互作用的新模型的接口为了量化混合效率，计算莱西混合指数（Lacey，1943 [42为此，使用粒子分析仪在不同时间点采集20个虚拟样品，并计算每种类型的粒子作为该研究的结果，注意到所使用的垂直叶片没有显示出高的混合效率，并且即使在8次旋转之后，混合指数仍然低于0.9。在第二个案例研究中，使用粘结颗粒模型（Potyondy，2015[43]）研究了四点弯曲测试期间复合材料的力学行为。 样品被描述为具有由大约430万个固体键连接的58万个初级颗粒。在模拟过程中，两个上冲头以恒定速度直到骨折发生。图6示出了在初始、中间和最终阶段的样品。在中间阶段，根据它们的应变对键当粘结中的应力超过其强度时，粘结开始断裂，导致样品断裂。为了估计材料的刚度和强度，可以使用结果分析器组件从MUSEN模拟中提取作用在上冲头上的力。表 1 中 提 供 了 使 用 硬 件 配 置 Intel Core i7-6800K 和 NVIDIAGeForce GTX 1080 Ti的两个场景的计算时间。M. Dosta和V. 斯科雷奇软件X 12（2020）1006185图3.第三章。 图形用户界面的主窗口。图四、G P U 内 存 中 数 据 结 构 的 一般表示。图五. 立式搅拌桨混合器中的颗粒行为。4. 影响MUSEN框架已成功应用于解决来自不同学科的各种任务。Lee等人，2017 [44]通过将DEM结果与种群平衡模型相结合，分析了湿法制粒过程。Dosta等人。2018 [45]使用试错原理，通过将模拟结果与从微计算机断层扫描获得的提出了更先进的基于线性化的调整技术，用于用键合颗粒模型（Jarolin et al.2020 [46]）。烧结诱导变形metal–ceramic 2016 [2]和Dosta et al.2020年[3MUSEN的许多应用集中在对不同材料的变形和断裂行为进行建模，例如生物聚合物藻酸盐气凝胶（Dosta等人，2019[31]）、二氧化钛或玻璃团聚体（Kozhar等人，2019 [ 31]）。2015年[32];Dosta等人2016 [47]）等。此外，MUSEN成功地融入了教育过程。由于其用户友好的图形界面，高计算效率和内置的结果分析工具，学生可以配置初始场景，执行有意义的模拟，提取数据和分析结果。所有这些都可以在M. Dosta和V. 斯科雷奇软件X 12（2020）1006186见图6。复合材料在四点弯曲试验中力学行为的模拟。在标准90分钟课程范围内的常规个人计算机上的一个程序。应该注意的是，现在有替代的DEM软件包，其中一些提供了MUSEN中没有的功能，例如，内置耦合到CFD计算或考虑非球形颗粒。然而，由于以下一些好处，例如：- 用户友好直观的图形界面，- 计算效率高，- 开源许可，- 系统的简单可扩展性我们希望MUSEN能广泛应用于研究、教育、和行业此外，面向对象的设计和基于模块的体系结构大大简化了框架的扩展和修改，以使其适应特定的过程或应用模式。5. 结论离散元法在颗粒材料的微观模拟中有着广泛的应用，从固体加工工程到材料科学。因此，新颖、高效、用户友好的开源DEM仿真系统可以显著地促进各个领域的发展。本文介绍了MUSEN框架的体系结构和概念设计。结合可视化方法，接触检测算法，并行化策略和其他相关功能区分MUSEN从其他现有的DEM软件包。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认这项工作的一部分由德国研究基金会（DFG）通过DFG DO2026/1-1和DFG DO 2026/6-1项目提供资金支持。引用[1]Zhu HP，Zhou ZY，Yang RY，Yu AB.粒子系统的离散粒子模拟：主要应用和发现的回顾。化学与工程科学2008;63：5728-70.http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2008.08.006网站。[2] Besler R，da Silva MR，Dosta M，Heinrich S，Janssen R.不同金属含量金属陶瓷复合材料的离散元模拟。J Eur Ceram Soc 2016;36（9）：2245-53.http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.12.051。[3] 张文辉，张文辉.烧结过程中孔隙排列对光子结构稳定性的影响。J EurCeramSoc2020;40（13）：4562-71。http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc的网站。2020.04.019。[4] Pöschel T ， Schwager T. 计 算 颗 粒 动 力 学 。 Springer-Verlag BerlinHeidelberg; 2005，http://dx.doi.org/10.1007/3-540-27720-X.[5] Kruggel-Emden H，Simsek R，Rickelt S，Wirtz S，Scherer V.离散元法法 向 力 模 型 的 回 顾 和 扩 展 。 粉 末 技 术 2007;171 （ 3 ） ： 157-73 。http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec的网站。2006.10.004。[6]Zhu HP，Zhou ZY，Yang RY，Yu AB.粒子系统的离散粒子模拟：理论发展。化学与工程科学2007;62：3378-96.http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2006.12.089网站。[7]奥沙利文角颗粒离散元建模。地质力学的观点。CRC Press;2011.[8]EDEM -领先的离散元法（DEM）软件。www. edemsimulation.com网站。[2020年9月访问]。[9]PFC -通用独特元素建模框架。www.itasca. de/software/PFC. 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