++++ +软件X 15（2021）100779原始软件出版物PanNDE：高性能NDE仿真William C. SchneckIII，Erik L.作者：Elizabeth D.格雷戈里NASA Langley Research Center，mail stop 231，Hampton，VA，23681，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2021年收到修订版，2021年6月28日接受，2021年保留字：模块化结构弹性动力学无损评估模拟建模a b st ra ctPanNDE是一个C++软件包，用于模拟非破坏性评估（NDE）中遇到的场物理学，应用于一系列工程和科学领域。模块化架构使NDE仿真的关键组件能够灵活配置，包括3D可视化兼容性、数据导入和导出、分布式内存并行性和求解器组合。目前的软件包提供了一个高性能计算（HPC）模拟三维弹性动力学的实施。体系结构和现有模块为增量开发提供了基础本文介绍了PanNDE背后的动机，架构和实现的描述。示例案例展示了分层各向异性部件的经验证的弹性动力学导波解决方案，以及复杂的几何模拟，以展示可用性和3D可视化。由爱思唯尔公司出版这是一个在CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00071Code Ocean compute capsule none法律代码许可NASA开源协议使用git的代码版本控制系统使用C、MPI、GoogleTest、CMake的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性C 11（使用gcc 7.3.0测试），Linux，MacOS，GoogleTest，Metis，VTK如果可用，链接到开发人员文档/手册https://nasa.github.io/PanNDE问题支持电子邮件william.c. nasa.gov1. 动机和意义航空航天材料弹性动力波动力学的高效计算模拟在无损评价（NDE）和结构健康监测（SHM）领域具有重要意义。NDE和SHM包括一系列技术，用于评估或监控组件，通常用于缺陷或者以不损害部件的方式损坏。许多行业（如汽车、航空航天、基础设施、石油和天然气）依靠无损检测和安全健康管理方法来确保结构安全性和可靠性[1当前的检查方法利用跨科学和工程学科共享的基于物理的技术，包括使用弹性波（例如，超声波检查）、热流（例如，热成像检查）和电磁波（例如，超声波检查）。X射线检查）[5]。由于超声波*通讯作者。电子邮件地址：william.c. nasa.gov（William C. Schneck III）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100779检测是无损检测中最常用的方法之一，有效的弹性动力学模拟是一种有价值的能力。超声NDE和SHM仿真需要对检测的物理过程进行建模，包括能量激发、传播和损伤相互作用。通过提供对检测机制的深入了解，超声模拟可以帮助解释复杂场景的多维检测数据，包括各种缺陷模式、各向异性介质、分层介质和导波涌现现象[6此外，在NDE模拟中应用参数探索工具为检查指导提供了巨大的潜力，减少了昂贵的试错经验检查设置[9]。由于NDE仿真域对于真实的检测场景通常很大，因此将NDE仿真用于工程应用需要适用于异构几何复杂组件的快速有许多适用于NDE模拟的商业软件包，包括ANSYS、COMSOL、Abaqus、Pogo、OnScale和CIVA [10对于弹性动力学，2352-7110/Elsevier B. V.这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxWilliam C.埃里克·施内克Frankforter和Elizabeth D.格雷戈里软件X 15（2021）1007792++Fig. 1. PanNDE的简化架构图。所有模块都可以使用PanNDE框架的任何接口;“using”箭头从模块指向这些为了关键关系的可见性和清晰性，省略了核心接口文献中的许多专门算法，例如[14尽管现有的模拟能力的广度，许多商业模拟代码具有速度，灵活性，或接口的限制;或者，一些使用域限制，可能不适用于检查方案的类别。作为速度限制的示例，Leckey等人的基准研究发现，ANSYS、COMSOL和Abaqus有限元建模（FEM）软件对于中等尺寸的3D超声导波检查模拟运行速度非常慢[10]。PanNDE的发展受到这些速度、灵活性和接口限制的推动。PanNDE强调NDE模拟的模块性和可访问性，以实现新物理的可扩展性，新兴硬件的适用性，增加并行性，不断发展的验证和确认（V V）要求，以及与参数探索工具的交互性。以下部分介绍PanNDE架构（接口和模块）、功能、弹性动力学仿真算法、演示案例和影响。2. 软件描述PanNDE是一个用于模拟NDE中遇到的场物理的C软件包。它的结构具有模块化架构（特别是软件框架），以减少扩展用例所需的PanNDE框架由一系列接口组成，这些接口公开了常见的NDE仿真操作（例如，网格、场、求解器）。然后，模块从这些接口继承，并提供实际的代码和实现。应用程序是从这些模块构建的，以执行所需的任务，例如构建和运行端到端仿真案例。采用PanNDE框架开发了基于CPU的弹性动力学求解器，该求解器基于时域旋转交错网格有限差分算法。除了这个单一的应用程序，提供的模块（在下面的部分中描述）适合于重用和扩展到新的物理或基于用户需求的用例。2.1. 软件构架PanNDE类和模块之间的互连强调软件组件，使得高级概念避免依赖于低级细节（例如，使用什么计算机机器或库）。当实现细节改变时，依赖反转对于减少大量不相关代码的返工是很重要的。PanNDE类和模块之间的描述强调了虽然任务可以由多个子任务组成，但相对于最终用户的需求，它应该在其抽象级别上是可识别的这些架构技术促进了集中的软件开发，降低了代码扩展和维护的成本，否则可能会安装在大型代码库中[20，21]。这种可扩展性非常适合于开源NDE仿真软件的长期开发，其中包含额外的检查物理可以帮助检查技术开发。作为PanNDE中这些原则的一个例子，PanNDE：：Field接口类的Host- Data：：HostField类继承了PanNDE：：Field 接口类，并实现了详细的操作，例如使用std：：vector进行数据存储，以及使用PanNDE：：Mesh对象在几何和线性内存空间之间进行映射通过抽象Pan- NDE：：Field接口调用HostData：：HostField操作，调用此模块的代码在逻辑上与实现细节隔离。使用这种结构，功能扩展（如新的物理解算器或元素几何）只需要添加一个新的模块，而无需更改相关模块。图1显示了PanNDE的简化体系结构图，指定了模拟执行的核心接口和处理ex-task外围操作的支持接口（作为一个集合，这些接口构成了PanNDE框架）。为了简洁起见，省略了每个接口函数的枚举PanNDE：：Solver表示偏微分方程（PDE）求解器所需的抽象运算，将其他软件组件与所使用的特定方程解耦;这便于根据需要直接交换求解器算法，包括新的场物理William C.埃里克·施内克Frankforter和Elizabeth D.格雷戈里软件X 15（2021）1007793=≤铝合金C33 C34 C35C36铝合金⎢⎣⎥⎦方程PanNDE：：Partitioner表示分布式内存并行所需的几何划分（用于在单个计算节点或集群上运行）。PanNDE：：Gateway表示数据输入/输出（I/O）要求。PanNDE：：Risk封装了分布式内存并行的网络通信;这也防止了劳动密集型消息传递接口（MPI）并行编程泄漏到代码库的其他部分。2.2. 软件功能PanNDE的发布版本包含第2节中的接口框架和一组模块，用于在分布式内存CPU架构上执行弹性动力学模拟CMake用于简化构建过程。GoogleTest被用作测试框架[22]，每个模块主要通过接 口 进 行 测 试 。 演 示 案 例 的 源 文 件 （ 第 3 节 ） 位 于 。 /bin/applications/source，测试二进制文件和可执行演示案例放在./ bin目录下编译。PanNDE模块弹性动力学仿真执行和控制模块位于。/模块。HostData是六面体网格的直接实现，包括该网格所需的场变量。HostSolver实现了弹性动力学模拟算法的方程（第2.3节）。NetMPI实现分布式内存并行操作，使用MPI进行网络通信，使用Metis库进行网格划分[23]。VTKIO实现了文件I/O，选择VTK li-kit是为了与各种商用现成（COTS）和开源科学数据可视化软件兼容[24]。Stubs模块为打包的演示案例提供了特定于案例的实现（对于这些案例，Stubs被用作HostData模块的替代）。对现有功能的扩展或采用不同的库是通过创建新模块或在现有模块中创建新类来完成的弹性动力学模拟我们包括一个示例应用程序（DemoModelNxd），它使用传感器（从零开始索引）参数字段命名为：· XD传感器索引>\XCenter· XD传感器索引>\Y中心· XD传感器索引>\Z中心· XD传感器索引>\频率· XD传感器索引>\N循环· XD传感器索引>\相位· XD传感器索引>\半径• 其他阵列：– 写入时间步骤名：write_times– 时间步作为一维数组中的单个值，名为：dtDemoModelNxd可执行文件有三个不同的阶段：设置、执行和 关 闭 。 所 需 的 任 务 和 顺 序 如 图 所 示 。 二 、 模 拟 结 果 以write_times中规定的时间步长写入并行VTK文件。并行VTK文件由包含文件并行结构的*.pvtu文件和包含每个MPI过程的实际现场数据结果（例如网格上的应力和速度）的 * .vtu文件集合组成。并行VTK文件用于后处理和可视化，其中大部分留给用户，因为这取决于问题。2.3. 弹性动力学仿真算法采用二阶时间显式旋转交错网格（RSG）有限差分（FD）算法对弹性动力学方程进行了数值该算法已被证明是非常适合各向异性弹性，并具有很强的能力，高速模拟，由于其无矩阵FD模板方程。 这些方程是在单元中心有应力、节点有速度的正六面体网格上实现的（为了与FD术语保持一致，我们将空间离散化表示为在节点有变量的单位单元，而不是模块中使用的术语单元更多细节可参见[16，17，25，26]。控制弹性动力学方程可以表示为[27]ρvi=<$σ ij+fi默认模块和接口，用于在具有一个或多个阿勒特σijxj克瓦希涅夫斯基（一个）传感器DemoModelNxd二进制文件通过VTK输入文件（*.vtu）与用户交互，该文件包括网格、mate序列属性、时间步长和换能器特性。PanNDE强调为模拟域提供定义良好的接口，但目前将域构造实用程序排除在范围之外。The./ applications目录包含源文件，这些源文件为第3节中的演示案例构造与DemoModelNxd和VTKIO兼容的VTK输入。输入VTK文件中所需的变量名为：• 领域：–刚度命名：阿勒特 =Cijklxl+Mij其中vi是速度矢量分量，σij是应力张量分量，ρ是质量密度，Cijkl是刚度张量分量，fi是体积力分量，Mij是力矩速率张量分量。RSG 算 法 是 时 间 显 式 和 条 件 稳 定 的 ， 需 要 基 于 其 Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）稳定性准则选择时间步长CFLmax（vph）≤1. 0（2）min（x，y，z）其中，min（mx，my，mz）表示最小单元尺寸，vph表示相速度。相速度在C11 C12 C13 C14 C15C16多个模式，并且对于各向异性介质，vph取决于ori。- − −C22 C23 C24 C25C26- − − − − −- − −C44 C45C46- −C55C56- −C66–名称：density方向角以及局部材料属性。因此，Eq。（2）表示域中的最大相速度max（vph）[17]。3. 示例结果提供了两个与航空航天部件无损检测相关的示范案例。第一个案例是模拟- 准各向同性碳纤维∗William C.埃里克·施内克Frankforter和Elizabeth D.格雷戈里软件X 15（2021）1007794×−||×图二、PanNDE的工作流程和程序流程图。增强聚合物（CFRP）板，配置为匹配来自NASA兰利研究中心的物理测试物品。对于实验装置，使用0.5 MHz接触式超声换能器激发导波，由200 kHz 6.5周期Hanning加窗正弦波驱动在换能器对面测量表面离面vz通过Polytec OFV-505激光多普勒振动计（LDV）扫描。实验装置和数据在[28]中深入介绍。第二种情况模拟导波沿一段铝角材的传播这种情况下是类似的形状和材料组成的飞机加强筋，这提供了一个定性评估的超声导波传播的非原始几何形状。这两个演示案例在HPE SuperDome高性能计算节点上执行，该节点配备四个英特尔（R）至强（R）Gold 6152 2。10 GHzCPU和1.6 TB总系统内存。使用ParaView [29]进行3D可视化，并使用使用VTK Python库的Python脚本。这些演示的案例文件分别使用DemoCase-Builder和ParameterizedPlateCase应用程序生成，它们在编译时放置在/bin目录中参 数 化 PlateCase还使用模型配置文件/demo_quasi_iso_cfrp.yaml。鼓励用户进行编辑和重新编译，以观察几何形状、材料或激励的修改效果3.1. 准各向同性纤维复合材料板这个箱子是由IM 7/8552制成的八层CFRP板。每层厚度为0.12mm（总计0.96 mm）， 是180 mm 180 mm长和宽。铺层叠层关于中心对称，其中铺层角度（从顶部朝向中心开始）为[0 °/ 45 °/45 °]。45度/ 90度]秒。 虽然尽管实验产生了多个引导准兰姆波模式，但是模拟被构造为仅激发A0模式（沿着厚度方向反对称），然后将其用于定量比较。这种A0模式是通过在板的中心位置使用两个激发源产生的，但是在相对的面上，产生出平面同相汉宁加窗200 kHz正弦波。弹性波传播的模拟时间为100µ s。图3示出了该模拟的表面面外vz波的传播并不是完全径向对称的，正如准各向同性铺层所预期的那样，并且在稍后的时间步长中观察到板的侧面的反射，显示了横向牵引自由边界的影响。为了进行验证，将此数据读入Python，并将单元顶层的面外速度vz（x， y， tVz（kx， ky，f）的多维傅立叶变换。Python脚本/py_utils/recon.py用于执行此后处理。 图图4示出了用于实验和仿真的在200 kHz中心激励频率处的V z（k x，k y，f exc）。波数相差约7.5%的kx和6.2%的ky，匹配良好;波数比较在公差范围内，该公差可能受到机械性能、层角、厚度等的可接受偏差的影响。这个模拟花了33分钟来执行。结构域大小为4M细胞，分为160个片段。模拟执行了10k个时间步，每50个时间步将数据写入文件。 对于模拟速度的一个指标，比较可以得出商业有限元运行时间的基准情况下提出的在[10]中。虽然目前的情况下是不相同的检查方案作为这个基准，他们是可比的，因为他们都模拟导波传播通过CFRP层压板。的基准测试实际上规模更小（几乎相同的厚度，60 mm和90 mm的表面尺寸，60µ s的模拟时间），这使得基准测试的模拟速度比目前的情况更快。尽管如此，这些基准模拟运行在或-10个小时，33分钟的PanNDE执行时间比较有利。3.2. 各向同性角部分对于第二种情况，角材尺寸为25。4毫米的高度和宽度，50。8毫米长，3。175 mm材料厚度，导致具有7.9 M细胞的域。单个换能器在角材的“外”表面上被模拟，在弯曲和边缘之间居中（12.7mm），并从中心纵向偏移相同的距离（12. 7 mm）。激发信号是Hanning加窗的200 kHz正弦波，指向平面外，并在细胞顶层的小半径内激发。这个模拟花了57分钟来执行。图5示出了不同时间的vz资格-实际上，在整个模拟过程中可以看到预期的现象。波阵面在穿过角弯曲时发生畸变，随后在无横向牵引边界反射，从而导致波干涉现象。William C.埃里克·施内克Frankforter和Elizabeth D.格雷戈里软件X 15（2021）1007795图3.第三章。8 层准各向同性复合材料板的超声模拟的表面z速度输出，用Hanning加窗200 kHz正弦波激励。4. 影响见图4。八 层准各向同性复合材料板在200 kHz时的0阶波数响应。PanNDE目前，成熟的商业代码具有强大的工具，预处理器经常缺乏关键NDE模拟应用的计算效率。相比之下，更高效的求解器通常缺乏用于快速开发仿真案例的现有基础设施，或者缺乏仿真感兴趣领域的灵活性。PanNDE通过提供透明的模块化架构来解决这一差距，该架构描述了NDE现场物理HPC模拟所需的跨领域功能该方法提供了灵活性，可维护性和可扩展性，同时表现出高效的计算性能。目前，该软件缺乏域构造实用程序，尽管需要省略这些实用程序来管理范围，但这确实增加了用户和开发人员的学习曲线。这一限制部分通过架构中的模块化来解决，通过关注点的分离减少了工作量，允许开发人员自由地专注于战略上重要的进步[30]。此外，PanNDE正在用于NASA兰利研究中心正在进行的研究，我们希望继续推进网格几何，其他物理（特别是阻尼和压电）和域构造实用程序。模型这增强了执行应用程序（如验证与确认）的前向模型、测试概念检 查技术或 可视化能量 流路径的可 用性。 此外， 使用PanNDE的研究人员可以将关键参数暴露在外部（无论是求解器、域还是激励参数），从而提供驱动参数化探索技术所需的能力。效率和可达性是采用参数勘探技术的能力的基础。NASA兰利研究中心正在通过将泛无损检测接口与开源参数探索软件Dakota [31]相连接来探索这一点，然后授予访问敏感性分析、响应面模型、不确定性量化和参数反演等技术的权限。参数探索技术的后续使用实现了诸如缺陷参数表征、指导检查设置或设计可检查性组件等用例。PanNDE的设计考虑到了这一点，因为这些技术和应用程序需要软件具有速度，灵活性和可访问性的组合。William C.埃里克·施内克Frankforter和Elizabeth D.格雷戈里软件X 15（2021）10077965. 结论图五、 波在 简化铝角撑架中传播的超声模拟的表面z速度输出。[4]巴尔-科恩航空航天结构在役无损检测：Tech. 代表，NASAPanNDE使现有基础结构和先进的功能（如新的求解器）之间的灵活互动，需要支持NDE模拟的不断发展的努力。现有基础设施 的 划 分 和 灵 活 性 使 针 对 战 略 研 究 目 标 的 开 发 更 加PanNDEPanNDE使用文件接口的抽象来在其文件编写模块中利用外部库，允许使用标准文件类型，以便与后处理或可视化实用程序直接兼容。此外，分布式内存并行功能的封装消除了开发HPC仿真软件的开销，从根本上减轻了算法特定HPC代码的开发成本通过PanNDE，NDE模拟研究可以通过开源的结果更快地取得进展，标准化的文件格式可以很容易地与科学界共享。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引用[1] 罗斯·J固体介质中的超声波北京：北京大学出版社.[2] 席克特混凝土超声无损检测。In：2002 IEEE Ultrasonics Symposium，2002.会 议 记 录 ， 第 1 卷 。 2002 ， 第 739-48 页 https://doi.org/10 。1109/ULTSYM.2002.1193506，第1卷。[3] Alobaidi W，Alkuam E，Al-Rizzo H，Sandgren 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