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Efficient Parallelization of Multibody Systems Incorporating Co-Simulation Techniques

Kraft, Jan (2021):
Efficient Parallelization of Multibody Systems Incorporating Co-Simulation Techniques. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019123,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Efficient Parallelization of Multibody Systems Incorporating Co-Simulation Techniques
Language: English
Abstract:

Co-simulation methods can be used advantageously in the field of multi-disciplinary simulations. Another applicability of co-simulation methods is the parallelization of large monodisciplinary dynamical models. This work focuses on the reduction of computation time that can be achieved in the simulation of multibody systems by partitioning a monolithic model into a set of coupled subsystems. The connection between the subsystems can be described in various ways. In this work, different subsystems are coupled by nonlinear constitutive equations (applied force coupling approach). Information (i.e. coupling variables) is only exchanged between the subsystems at distinct communication-time points (macro-time points). Within each macro-time step, the unknown coupling variables are approximated by extrapolation polynomials. The essential point is that the subsystems are integrated independently of each other between the macro-time points. If a Jacobi type co-simulation scheme is used, all subsystems can be solved in parallel.

A main drawback of many co-simulation implementations is that they are based on an equidistant communication-time grid. Using a constant macro-step size may in many practical applications be not very efficient with respect to computation time, especially in connection with highly nonlinear models or in context with models with strongly varying physical parameters. In this work, explicit and implicit co-simulation approaches which incorporate a macro-step size and order control algorithm, are presented. Numerical examples show the benefit of this implementation and the significant reduction in computation time compared to an implementation with an equidistant communication-time grid. In addition, a comparison between a co-simulation model and a monolithic model demonstrates the great computation time reduction which can be achieved due to the parallelization and the multirate character of the proposed co-simulation methods.

The co-simulation approaches are fully parallelized by a hybrid MPI and OpenMP implementation. The resulting computation time of the implemented co-simulation approaches is analyzed in detail. The influence of various simulation parameters on the computation time is studied and sources of computational overhead are identified.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Co-Simulationsverfahren können nicht nur im Bereich der Simulation multiphysikalischer Systeme, sondern auch zur Parallelisierung der Berechnung großer monodisziplinärer Modelle verwendet werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Reduktion der Rechenzeit von Simulationen großer mehrkörperdynamischer Systeme, die durch das Aufteilen eines monolithischen Modells in gekoppelte Subsysteme erzielt werden kann. Die Kopplung zwischen den Subsystemen ist problemabhängig und kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Bei den im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Verfahren, sind die Subsysteme durch nichtlineare konstitutive Gleichungen miteinander verbunden. Informationen in Form von Kopplungsvariablen werden nur an bestimmten Kommunikations- oder Makrozeitpunkten zwischen den Subsystemen ausgetauscht. Zwischen den Makrozeitpunkten werden die Kopplungsvariablen in den Subsystemen durch Extra-/Interpolationspolynome approximiert. Diese Vorgehensweise erlaubt es, die Subsysteme, bzw. deren Bewegungsgleichungen, in jedem Makrozeitschritt unabhängig voneinander zu integrieren. Wenn ein Co-Simulationsverfahren vom Jacobi-Typ verwendet wird, werden alle Subsysteme parallel gelöst. Ein wesentlicher Nachteil vieler verfügbarer Co-Simulationsansätze ist die Verwendung eines äquidistanten Makrozeitgitters. In praktischen Anwendungsfällen, insbesondere wenn hoch nichtlineare Systeme oder Modelle mit stark veränderlichen Eigenschaften simuliert werden, ist die Anwendung einer konstanten Makrozeitschrittweite oftmals nicht rechenzeiteffizient. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein explizites und ein implizites Co-Simulationsverfahren vorgestellt, die beide über einen Algorithmus zur Steuerung der Makroschrittweite verfügen. Neben der Makroschrittweite wird durch den Algorithmus auch der Polynomgrad der Approximationspolynome für die Kopplungsvariablen geregelt. Die Schrittweitenkontrolle basiert auf verschiedenen Fehlerschätzern für den lokalen Fehler eines Makrozeitschritts, die Ordnungssteuerung basiert auf dem Wert einer Norm der skalierten Ableitungen der Approximationspolynome. Diese Vorgehensweise orientiert sich an den Methoden, die in numerischen Differentialgleichungslösern, wie z. B. BDF-Implementierungen, verwendet werden. Die parallele Implementierung der Co-Simulationsverfahren erfolgt durch einen hybriden MPI (Message Passing Interface) und OpenMP (Open Multi-Processing) Ansatz. Jedes Subsystem wird von einem MPI-Prozess ausgeführt; falls mehrere Integrationen desselben Subsystems notwendig sind, beispielsweise zur Fehlerschätzung oder im Rahmen der Gradientenberechnung für das implizite Co-Simulationsverfahren, werden diese mittels OpenMP parallelisiert. Die Rechenzeiteffizienz des expliziten und des impliziten Co-Simulationsverfahrens mit und ohne Schrittweitensteuerung wird ausführlich anhand zahlreicher numerischer Beispiele untersucht. Die Simulationen wurden alle vollständig parallelisiert auf dem Lichtenberg Hochleistungsrechner der Technischen Universität Darmstadt ausgeführt. Der Einfluss verschiedener Verfahrensparameter auf die Rechenzeit der maßgeblichen Prozesse, die innerhalb der Co-Simulationsverfahren ausgeführt werden, wird detailliert analysiert. Die Testsimulationen verdeutlichen die Steigerung der Effizienz der Co-Simulationsverfahren, die durch die Implementierung des Makroschrittweiten- und Ordnungssteuerungsalgorithmus erzielt wird. Außerdem wird die drastische Rechenzeitersparnis aufgezeigt, die durch die Verwendung von Co-Simulationsverfahren im Vergleich zu einer monolithischen Simulation großer Mehrkörpersysteme ermöglicht wird. Die erzielte Rechenzeitersparnis lässt sich durch eine Kombination aus Parallelisierung und vorteilhafter Ausnutzung des Multirate Attributs der Co-Simulationsverfahren erklären.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 166 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Mehrkörperdynamik
Date Deposited: 14 Jul 2021 07:40
Last Modified: 14 Jul 2021 07:40
DOI: 10.26083/tuprints-00019123
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-191232
Referees: Schweizer, Prof. Dr. Bernhard ; Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 30 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19123
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  • Efficient Parallelization of Multibody Systems Incorporating Co-Simulation Techniques. (deposited 14 Jul 2021 07:40) [Currently Displayed]
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