Delist.ru

 Методы и средства разработки систем автоматизированного проектирования строительных объектов с технологией распараллеливания вычислений в компьютерных сетях (25.06.2009)

Автор: Кислицын Дмитрий Игоревич

МСЭ в некоторых случаях позволяет значительно сократить время решения задачи за счёт понижения порядка системы уравнений, что существенно при расчёте сложных конструктивных схем, состоящих из большого числа одинаковых конструктивных элементов, например, панелей.

Следует заметить, что декомпозиция может быть построена не обязательно как объединение групп конечных элементов. В качестве СЭ может быть выбран конструктивный элемент или связанная система конструктивных элементов. В этом случае суперэлементная дискретизация будет и физической дискретизацией.

МСЭ на базе МКЭ реализован в программных комплексах (ПК) Лира, SCAD, СТАДИО и других отвечающих требованиям СНиПа программных средствах, получивших применение в российских проектных, научных и учебных организациях. Однако для возможности значительного повышения производительности вычислений указанных выше ПК за счёт применения параллельных технологий, например, используя МСЭ, необходима существенная переработка ПК-ов на уровне программного кода.

В диссертационной работе предлагается другой путь, названный методом разделения на подконструкции (МРП), где под подконструкциями понимаются проектные единицы. В МРП предлагается использовать интуитивно понятную инженерам физическую дискретизацию проектируемого объекта с последующим расчётом элементов деления на различных ПК-ах в компьютерной сети. Для учёта совместной работы подконструкций предусматривается применять метод

МРП в некотором смысле можно рассматривать как развитие МСЭ. Действительно, МРП, как и МСЭ, позволяет получать вычислительный эффект от понижения порядка системы разрешающих уравнений. Однако, кроме того, МРП предоставляет возможность ускорять процесс автоматизированного проектирования зданий и сооружений за счёт распараллеливания как расчётов объектов строительства, так и выполнения конструирующих и графических операций. При этом на параллельно работающих персональных компьютерах могут устанавливаться любые, удовлетворяющие требованиям пользователя программные комплексы без изменения их программных кодов.

Для получения математического условия объединения подконструкций принимается, что все обобщённые усилия (сосредоточенные и распределённые нагрузки, изгибающие и крутящие моменты), действующие на каждую из условно разделённых подсистем, можно разделить на внешние, к которым отнесём приходящиеся на каждую из подконструкций части действующих на сооружение внешних воздействий, включая собственный вес элементов конструкции, и обобщённые силы взаимодействия подконструкций (Fij, Fkl на рис. 1, действующие в направлениях, соответственно, i, k некоторого ортонормированного базиса). В том же базисе рассматриваются и обобщённые перемещения искусственно введённых узлов (1, 2, …, j, …, l, …, n) в точках разреза сооружения плоскостью L-L (рис. 1).

Рис. 1. Разделение некоторой конструкции на две подконструкции А и В

Тогда обобщённые силы взаимодействия Fij в стержнях, разрезанных плоскостью L-L, обеспечивающие работу обеих подконструкций как составных частей единой конструкции, находящейся под действием заданной системы внешних нагрузок, будут определяться следующей системой линейных

d’ijkl, d’’ijkl – обобщённые перемещения j-го узла в i-ом направлении в подконструкциях, соответственно, A и B от обобщённых единичных усилий

D*ij, D**ij – перемещения j-го узла в i-ом направлении в подконструкциях A и B, соответственно, которые рассматриваются как независимые конструкции, нагруженные только действующими на них внешними нагрузками и собственным весом элементов. Здесь принято, что материал элементов конструкции работает в пределах применимости линейного закона Гука.

Аналогично можно выполнить разбиение здания или сооружения на большее число проектных единиц.

Зависимости (1) – (3) были использованы при построении вычислительного процесса по технологии параллельных вычислений (рис. 2). Алгоритм предполагает применение трёх компьютеров: A*, B* и C*.

Блок 1 предусматривает выполнение пользователем в интерактивном режиме следующих работ по подготовке конструкции к расчёту:

создание исходной модели конструкции, включая геометрию, жесткостные характеристики элементов, нагрузки и граничные условия;

выбор оптимального деления конструкции на подконструкции, удовлетворяющие требованиям к проектным единицам.

В блоке 2 выполняется расчёт на компьютере A* от единичных загружений fkl, приложенных в узлы разделения подконструкции, и определяются перемещения d’ijkl (2а), а затем производится расчёт на компьютере A* от фактического загружения в 1-ой подконструкции и определяются перемещения

В блоке 3 аналогично вычисляются величины d’’ijkl и D**ij на компьютере

Блок 4 выполняется на компьютере C*. Здесь вычисляются значения нагрузок взаимодействия Fkl путем решения системы линейных алгебраических уравнений (1), сформированной на основе результатов вычислений, полученных в блоках 2 и 3.

В блоке 5 выполняется расчёт на компьютере A* от загружения, включающего в себя усилия взаимодействия Fkl (вычисленные в блоке 4 и приложенные в общие узлы) и внешние нагрузки 1-ой подконструкции. В результате расчёта получаем перемещения DAij, соответствующие фактическим перемещениям заданной конструкции.

В блоке 6 выполняется расчёт на компьютере В* от загружения, включающего в себя усилия взаимодействия (вычисленные в блоке 4 и приложенные в общие узлы) и внешние нагрузки 2-ой подконструкции. В результате расчёта получаем перемещения DBij, соответствующие фактическим перемещениям заданной конструкции.

По результатам расчёта выполняются автоматизированное конструирование элементов конструкции (блоки 9, 10) и подготовка чертёжной документации (блоки 11, 12). При необходимости проектировщик может внести изменения в исходные данные (блок 8) и повторно произвести расчёт.

Заметим, что если заданный объект является N раз статически неопределимой стержневой конструкцией, то для определения усилий в стержнях потребуется решить систему из N линейных уравнений с N неизвестными.

При реализации рассмотренного алгоритма потребуется решение M раз системы с N1 неизвестными и M раз системы с N2 неизвестными, где N1 – число неизвестных в первой подконструкции, N2 – во второй подконструкции

(N = N1 + N2), M = K + 1, K – общее число неизвестных в разрезаемых стержнях.

Следует заметить, что все решения относятся к подконструкциям с фиксированной геометрией. Поэтому второе и последующие решения для каждой из подконструкций могут быть получены со значительно меньшей трудоёмкостью, чем первое.

Описанный алгоритм позволяет:

построить вычислительный процесс в локальных или глобальной компьютерных

передавать процесс проектирования разделяемых частей здания на отдельные компьютеры, что способствует повышению уровня корпоративности работы над

выполнять проектирование в среде известных удовлетворяющих требованиям действующих СНиП программных комплексов без внесения каких-либо изменений в их программный код или интерфейс.

Третья глава посвящена решению проблем, связанных с разработкой систем автоматизированного проектирования с предложенной технологией распараллеливания вычислительных процессов.

Для этой цели можно применить как получившие широкое распространение в России и разработанные в Росии или в ближнем зарубежье ПС (SCAD, Лира, MicroFe, СТАДИО, STARK ES и др.), так и зарубежные ПС (MSC.NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, Robot Millennium, STAAD.Pro и др.).

Однако при использовании ПС для проектирования строительных объектов в России необходимо, чтобы они отвечали требованиям действующего СНиПа. К таким ПС относятся, прежде всего, SCAD, Лира, MicroFe, СТАДИО, STARK ES.

Реализацию метода деления конструкции на подконструкции можно осуществить без изменения программного кода базового ПС. В этом случае необходимо иметь возможность:

управления базовым ПС минуя графический интерфейс;

формирования и редактирования исходной модели в текстовом виде;

документирования результатов расчёта (в частности, перемещений узлов) в текстовом виде.

Так как характерной особенностью предложенного алгоритма является расчёт подконструкций от большого количества загружений, то определёнными преимуществами по времени счёта будут обладать ПС, требующие незначительного увеличения времени счёта при увеличении числа загружений в рассчитываемой модели. Кроме того необходимо отметить, что решение большеразмерных задач требует не только значительного времени счёта, но и достаточно большого доступного объёма дискового пространства.

В настоящей работе в качестве базового ПС было выбрано ПС «Лира».

Для управления процессом автоматизированного проектирования по технологии распределённых вычислений на алгоритмическом языке программирования MS Visual Basic было написано ПС «Решатель». ПС «Решатель» состоит из двух частей: «Сервер» и «Клиент». Пользователь работает непосредственно с серверной частью, которая управляет работой компьютеров, используемых для вычислительного процесса. Клиентская часть взаимодействует с ПС «Лира». «Решатель» функционирует на двух (рис.3, а) или трёх (рис.3, б) компьютерах.

&». В случае применения варианта с двумя ПК (рис.3, а) они могут быть соединены между собой посредством локальной сети или через глобальную сеть (Интернет). При этом серверная часть устанавливается на одном из них. В случае применения второго варианта – три ПК (рис. 3, б), серверная часть устанавливается на отдельном компьютере. Клиентские части связываются с серверной также через локальную или глобальную сеть. Связывать клиентские части между собой не требуется.

загрузка...