그리드 환경에서 항공우주 구조물의 가상설계 및 개발 구현

Abstract

I. 제 목 항공우주 구조물의 가상 설계 및 개발 구현 II. 연구개발의 목적 및 중요성 네트워크로 연결된 컴퓨팅 자원들을 활용한 초정밀 시뮬레이션 기술에 기반 하여 가상설계 및 개발을 구현해 보는 것이 본 연구의 목적이며, 그리드컴퓨팅 기술의 항공우주 기술(ST) 분야에의 응용연구이다. 이러한 가상설계및 개발 기술은 ST분야의 경우처럼, 설계경험이나 관련 데이터의 축적을 위해서는 오랜 시간과 지속적인 투자가 요구되는 분야에서 그리드 컴퓨팅 기술을 활용하여 개발시간과 개발비용을 대폭 줄일 수 있는 기술이다. 그리고 ST분야뿐만 아니라 제조업 전 분야와 반도체 회로, 대형 디스플레이 장비 등과 같이 첨단 IT 기반 제품의 설계 및 개발에도 활용될 수 있다. III. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구의 당해연도 연구에서는 VDD GRID II 시스템을 DCG 시스템의 확장과 Entry- point 서버 시스템의 운영을 통해 구현하고, VDD GRID II 시스템을 활용하여 Nongradient- based Pattern Search 기반 최적화 연구를 수행하는 것이 주요 연구내용이다. 우선, 기존의 DCG 시스템과 Pegasus 시스템(클러스터 슈퍼컴퓨터, 400CPU급)의 GRID 전용 Pool 시스템과 연동하여 확장하며, 유저의 편의성 증대를 위해 웹 기반의 인터페이스를 제공하는 Entry- point 서버 환경을 구현한다. 그리고 최적화 연구를 그리드 환경에서 수행할 수 있는 최적화 모듈을Entry- point 서버의 웹 서비스를 통해 수행할 수 있도록 한다. 한편, 본 연구를 통해 개발하고 있는 IPSAP/G의 지속적인 성능 향상 연구를 계속하며 VDD GRID II 시스템과 IPSAP/G를 활용하여 항공우주 구조물의 다분야 최적설계를 구현한다. IV. 연구개발결과 GLOBUS와 OpenPBS를 활용하여 Pegasus 클러스터 슈퍼컴퓨터 시스템에 80 CPU급의 GRID 전용 Pool를 구현하고, DCG 시스템과 연동하여 VDD GRID II 시스템을 구현하였다. 그리고 유저인증 ,실시간 자원 모니터링 기능 및 최적화 작업수행을 웹서비스를 통해 제공하는 Entry- point 서버 시스템을 개발하여 운영하였다. 서버 시스템은 Globus Toolkit 또는 Grid computing에 익숙하지 않은 일반 사용자에게 웹을 통해 GRID Job을 실행시킬 수 있는 인터페이스를 제공한다. 웹 응용프로그램 서버로 소스 공개 소프트웨어인 Zope(www.zope.org)가 사용되었다. Zope는 Python 언어로 만들어졌으며, 웹을 통한 웹 응용프로그램 개발이 가능하 며, 프로그램을 개발하는데 Python 또는 Perl 스크립트를 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. 개발된 웹 응용 프로그램은 Zope 서버를 기본으로, Python 언어와 Globus Toolkit을 이용하여 구현되었다. 웹 프로그램은 grid proxy를 담당하는 GSI 모듈, 사용자 파일을 관리하는 File Manager 모듈, Grid 자원에 사용자 프로그램을 실행시키기 위한 Job Submission 모듈 그리고 DCG 자원과 이들의 사용량을 모니터링 하기 위한 Grid Resources 모듈로 구성되었다. 한편, VDD GRID II 시스템과 최적화 작업 수행 모듈을 이용하여 새로운 수치해석 기법인 무요소(Meshless) 기법의 파라미터 최적화 연구를 수행하였다. 개발 중인 많은 무요소법들 중, 이동최소자승 근사법에 기반을 둔 무요소갤러킨법에 초점을 맞춰 정확한 수치해를 구하기 위해 조절되어야 할 변수 연구를 진행 하였다. 수치적분을 위한 바탕셀의 필요성 및 가중함수 영향영역 결정을 위해 기존의 무요소법에 버블 패킹 기법(bubble packing technique)을 적용하였다. 이 방법을 이용해 기존의 방법들보다 손쉽고 통합적인 수치해석이 가능하도록 하는 최적의 변수를 획득하기 위해 최적화 컴퓨팅 모듈을 이용한 변수 연구를 수행 하였다. 변수연구를 수행하기 위해 사용된 수치예제로는 2차원 비압축성 유동의 대표적인 문제인 cavity문제를 해석하였다. 이 유동의 정확한 모사를 위해 필요한 무요소법의 최적의 변수를 찾는 수치모사에 최적화 컴퓨팅 모듈을 사용함으로써 그리드 컴퓨팅 기 술의 필요성을 제시하였다. IPSAP/G 의 가장 기본이 되는 병렬 다중 프런트 기법을 BLAS, LAPACK 등의 고성능 수치연산 라이브러리를 활용하여 성능을 대폭 향상시켰다. 그리고 Block- Lanczos 고유치 해법의 성능도 대폭 향상시켜, 700만 미지수 수준의 초대형 구조물의 10개의 고유치를 Pegasus 시스템에서 256개의 프로세서를 사용하여 1시간 이내에 모든 계산을 수행할 수 있었다. 또한, 그리드 환경에서 보다 정확한 성능분석을 수행할 수 있도록 하기 위해서 MPI 로그 파일 기법을 활용하여 개발 응용 코드의 네크워크 사용량을 분석할 수 있는 툴을 개발하여 적용하였다. 그리드 환경에서 항공우주 구조물에 대한 최적설계를 구현하기 위해서, 그리드 환경에 적합하다고 널리 알려져 있는 유전자 알고리듬을 이용한 최적 설계 모듈을 개발하였다. 개발된 최적설계 모듈을 이용해서 항공기 날개 구조물에 대한 최적설계를 수행해 보았다. 모두 15개의 설계변수를 설정하였으며, 100개로 구성된 개체군들에 대해서 50세대에 걸쳐 계산을 수행하였다. 설계목적은 무게최소화로 하였고, 구속조건으로 최대변위값과 최대응력값에 대한 상한과 1차 자유진동 모드 주파수의 하한을 설정하였다. 한편 각 개체들의 우성(Fitness)을 계산하기 위한 정밀 응력해석 및 진동해석에는 IPSAP/G를 이용하였다. V. 연구개발의 활용에 대한 건의 본 연구를 통해 개발된 DCG 시스템 구현기술이나 Entry- point 서버 구현 기술은 그리드 기술을 활용할 수 있는 표준모델로서 널리 활용될 수 있으며, 최적화 구현기술은 다양한 제품의 설계 및 개발에 적용될 수 있을 것이다. VI. 기 대 효 과 분산된 유휴 자원의 효율적인 활용 및 응용 프로그램의 개발

I. Title Realization of Virtual Design & Development GRID System II. Objective of the study and its importance The aim of study is to realize the virtual design and development system based on the high- precision simulation technology. The distributed systems including PCs, clusters, servers, etc. are utilized as the computing resources through GRID technology. If sufficient computing resources are provided economically through GRID computing technology, more precise simulations for design and development may be performed in a short time and the various design parameters can be considered in detail. Therefore, the cost and time for new design and development can be minimized. III. Content and scope of the study The scope of the present work is to design and construct a GRID pool in the Pegasus system. The GRID pool will be coupled with the DCG system. Also, to provide the convenience of usage, the entry- point server is to be constructed and the GUI environments based on the web service is to be developed. The optimization computing module is to be developed and linked into the web service. The performance optimization of IPSAP/G(Internet Parallel Structural Analysis Program/GRID- enabled) will be carried out. The high- performance math library such as BLAS, LAPACK will be utilized. IV. Result of the study The GRID pool in Pegasus system was constructed and coupled with the DCG system. The Globus toolkit and OpenPBS were installed into the GRID pool. An entry- point web server system has been developed for effective utilization of the DCG system. The web server provides through- the- web interface to launch Grid jobs for inexperienced general user of the Globus Toolkit. The entry- point web server system is composed of the web application server system that is not part of the DCG and the web application that runs on it. Zope (www.zope.org) is used for the web application server which is an open- source server programmed using the Python language. It features through- the- web development environment and enables incorporation of Python and Perl scripts to take care of the application logic. The web application is built on top of Zope using Python and Globus toolkit. It is composed of the GSI module which handles the grid proxy, the File Management module which is responsible for managing user file for Grid computing, the Job Submission module which deals with submitting Grid jobs and Grid Resources module which handles resource monitoring. In this work, we executed a parameter study for meshless method which is broadly developed and researched by numerical work group since, the mid 1990""s. Among the developed meshless methods, we focused on the meshless method based on moving least square approximation. To determine the influence domain of weight function and to obtain the backcell for integration of discretized equation, we adapted the bubble packing method to the meshless method. To optimize the parameter of the meshless method, we used the grid computing module. To conduct the parameter study, we simulated and analysed a 2- D cavity flow that is governed by incompressible viscous Navier- Stokes equation. Also we verified the effectiveness of grid computing module by conducting optimizing of parameters utilizing the GRID computing technology. The performance optimization of IPSAP/G was successfully carried out by adopting BLAS and LAPACK. 10 eigenvalues and eigenmodes of huge structures which has more than 7 million DOFs(degress of freedom) can be extracted within one hour when the 256 CPUs of Pegasus system was utilized. And The MPI log analysis tool was developed to investigate the network usage of application program. For the optimal design of aerospace structures in grid environment, optimization module has been developed based on a genetic algorithm. An optimal design of aircraft wing was carried out using the optimization module developed in the study. The problem has 15 optimization parameters. 50 generations was carried out with 100 individuals in population running simultaneously in distributed grid resources. The objective of the optimal design is the minimization of weight with maximum displacement, stress and minimum lowest natural frequency constraints. The structural analysis for the static and natural frequency response of the structure was carried out using the IPSAP/G. V. Suggestion for utilization The DCG system may be considered as an standard computing GRID system model. And the optimization technology based on GRID system can be utilized for the practical design and development of various products. VI. Expected Effects The effect utilization of distributed computing resources and the efficient development of application programs