Разработка математических моделей, алгоритмов, создание вычислительного комплекса для прогнозирования поведения перспективных материалов и конструкций при динамических нагрузках

Цель настоящего проекта - создание программного комплекса для проведения широкопараметрических исследований свойств перспективных материалов и поведения конструкций при динамических нагрузках. Достижение заявленной в проекте цели предполагает как построение математических моделей поведения материалов, учитывающих широкий спектр физико-механических свойств на макро и микроуровнях, так и создание высокопроизводительного вычислительного комплекса, позволяющего проводить численное моделирование геометрически сложных конструкций при динамических нагрузках. При интенсивных динамических нагрузках материалы подвергаются значительным сжатиям и нагревам, а также испытывают фазовые превращения. Экспериментальное исследование осложняются масштабами явлений во времени и в пространстве, а также дороговизной экспериментов. Таким образом, актуальным становится проведение численных экспериментов на макро и микроуровнях. Чтобы решить подобную задачу, требуется создать математическую модель поведения материала, работоспособную в широком диапазоне начальных условий. В моделях будет учтена пространственная неоднородность распределения (анизотропия, структура) физико-механических свойств, которая характерна для современных композитов. Вторая задача - создание высокопроизводительного программного комплекса, предполагает разработку алгоритма построения оптимальной конечно элементной сетки, реализацию алгоритма фрагментации с учетом выполнения всех законом сохранения, организацию распараллеливания вычислений. В настоящее время при проектировании и расчетном обосновании прочности различных изделий используются коммерческие многофункциональные и многопрофильные программные комплексы, такие как ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, MSC.NASTRAN и др. При этом в большинстве пакетов используются либо устаревшие модели поведения материалов, не способные адекватно описывать реальные процессы, либо используются модели, применение которых требует наличия большого числа констант материалов. А так как в высокотехнологичных отраслях, зачастую, используются уникальные материалы с мало изученными физико-механическими свойствами, то нахождение и определение констант для моделей превращается в отдельную поисковую работу. В процессе работы над проектом, на основе представленных подходов и методик будут разработаны высокоэффективные параллельные масштабируемые коды и алгоритмы. Для этого будет использовано традиционное и хорошо развитое направление, основанное на MPI (Message Passing Interface) для параллельных кластеров с разделенной памятью. Другим перспективным и достаточно эффективным направлением является создание алгоритмов и кодов, которые позволят проводить вычисления с использованием графических процессоров (ГПУ) общего назначения компании NVIDIA, поддерживающих технологию CUDA. Появление гибридных вычислительных кластеров открыло возможности разработки новых алгоритмов, которые используют технологию CUDA для проведения части ресурсоемких расчетов, а для связи между различными ГПУ, физически принадлежащих разным узлам кластера, используется технология MPI. Создание собственных расчетных кодов и алгоритмов дает полную независимость и автономию от различных пакетов (как свободных, так и платных) и вносит вклад в проводимую политику импортозамещения в сфере высоких технологий. Кроме того, преимущества создания собственного комплекса расчетных программ заключается еще и в гибкости выбора подходов, методик для расчета искомых характеристик, а разработка программ для узких поставленных целей во многом повышает точность и быстродействие расчетов.