Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0095

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0095
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Разработка программного комплекса компьютерного моделирования материалов на основе РЗМ.
Докладчик
Обходский Артем Вкторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание комплекса научно-технических решений (методов и алгоритмов), обеспечивающих повышение эффективности научных исследований материалов на основе редкоземельных металлов (РЗМ) посредством компьютерного моделирования их структуры и свойств на базе масштабируемой ГРИД-сети персональных компьютеров.
Решаемые задачи:
- разработка архитектуры, алгоритмов, математического и информационного обеспечения программного комплекса;
- разработка и программная реализация экспериментального образца программного комплекса;
- испытание программного комплекса и подтверждение достоверности модельных расчетов, выполняемых с его помощью;
- разработка предложений по созданию опытного образца программного комплекса с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера;
- разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка программного комплекса моделирования сплавов и лигатур на основе РЗМ».
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время РЗМ используют в виде смешанных соединений в металлургической и нефтехимической промышленности, а также при производстве стекла и керамики. В последние годы значительно расширяется применение отдельных редкоземельных элементов. Примером может служить использование неодима для легирования магниевых сплавов, иттрия и европия для производства красного люминофора, гадолиния для создания магнитных материалов с особой структурой, самария для получения сверхмощных постоянных магнитов и другие.
Таким образом, РЗМ в настоящее время широко используют для получения высокопрочных чугунов, улучшения свойств низколегированных, коррозиестойких и других сортов сталей, увеличения жаропрочности магниевых и алюминиевых сплавов, а также для повышения свойств целого ряда металлов и сплавов.
Программно-вычислительный комплекс для компьютерного моделирования новых материалов на основе РЗМ и оценки их прочностных свойств в условиях сверхвысоких нагрузок позволит проектировать сплавы с выдающимися техническими характеристиками и сократит издержки на проведение дорогостоящих экспериментальных исследований.
Новыми научными результатами проекта являются: способ организации распределенных систем хранения данных, способ организации распределенных систем обработки данных и математическая модель, обеспечивающие в совокупности расчет свойств кристаллических структур на основе РЗМ в автоматическом режиме.


Описание исследования

Для исследования функциональных алгоритмов программного комплекса моделирования материалов на основе РЗМ и математической модели для описания структуры материалов в работе используется метод натурного и имитационного моделирования на основе теории системного анализа и численных методов верификации математических моделей.

В результате выполнения ПНИЭР будут разработаны: компьютерные модели, обеспечивающие оптимизационное моделирование структуры, анализ и исследование физических свойств, элементного и функционального состава материалов на основе РЗМ; научно-технические основы для создания программно-вычислительного комплекса моделирования материалов на основе РЗМ и модельного анализа их характеристик в условиях сверхвысоких температурных нагрузок; алгоритмы, база данных и программное обеспечение, обеспечивающие в совокупности процесс проектирования структуры материала и исследования его характеристик.

Экспериментальный образец разрабатываемого программного комплекса будет включать: клиентское приложение, с помощью которого будет осуществляться доступ к модельным описаниям отдельных материалов, расчет и визуализация структуры материала; базу данных для хранения модельных описаний материалов и регламентированного централизованного доступа к исходным данным и результатам моделирования.

Выбор решения для реализации системы хранения данных в составе программного комплекса моделирования материалов во многом зависит от состава реализуемых функций. Система хранения данных программного комплекса моделирования материалов была реализована на основе свободно распространяемой СУБД PosgreSQL, поддерживающей одновременно функции репликации и секционирования данных.

Применение ГРИД-сети для расчетного моделирования структуры материалов требует детерминированной, высокой пропускной способности каналов передачи данных. Для этого в ГРИД-сети может применяться вспомогательное программное обеспечение для управления маршрутами передачи данных между вычислительными узлами.

Оптимальным для моделирования структуры материала, в том числе: для визуализации процессов изменения структуры материала и температурного градиента с помощью разрабатываемого программного комплекса, является решение на основе свободно распространяемых программных библиотек, обеспечивающих формирование текстур сложных объектов.

В ходе проекта были исследованы подходы к созданию алгоритмов для решения связанных задач перестроения структуры материала и объемного теплопереноса. Определены условия для перехода от микроскопических параметров материала к макроскопическим параметрам, характеризующим прочностные свойства материала.

Компьютерное моделирование материалов в настоящее время обладает большим потенциалом для создания новых образцов с заданными свойствами и характеристиками. В основе такого моделирования лежат многоуровневые физико-математические модели, описывающие структуру и свойства материалов, и решения для проведения масштабных вычислений с использованием методов квантовой химии и классических методов молекулярного моделирования.

 

Результаты исследования

При решении задач проекта разработана математическая модель для описания структуры материала и процесса объемного теплопереноса, учитывающая температурное распределение в объеме заготовки материала на уровне его атомной структуры, функциональная структура и архитектура экспериментального образца программного комплекса.

В ходе проекта разработаны, реализованы в виде программ и экспериментально исследованы базовые алгоритмы программного комплекса моделирования материалов на основе РЗМ, протокол и формат передачи данных, обеспечивающих внутреннее взаимодействие его компонентов и функции масштабирования вычислительной ГРИД-сети на основе гетерогенных вычислительных ресурсов, проведены экспериментальные исследования математической модели для расчетной оценки свойств материалов.

Результаты экспериментальных исследований показали: разработанные алгоритмы обеспечивают преимущество программного комплекса моделирования материалов на основе РЗМ в части организации ресурсов памяти и масштабирования вычислительных ресурсов, программные модули в составе ЭО ПК обеспечивают его функционирование на базе одноранговой сети персональных компьютеров и централизованной сети с клиент-серверной архитектурой.

При синтезе функциональных алгоритмов программного комплекса учитывались достоинства и недостатки мировых аналогов, в том числе: OpenFOAM, GIMM_FPEIP и Gaussian. Разработанные алгоритмы обеспечивают преимущества программного комплекса моделирования материалов на основе РЗМ в части масштабирования ресурсов памяти и вычислительных ресурсов.

Преимущество разработанного программного комплекса по сравнению с Gaussian состоит в отсутствии возможности объединения  компонентов последнего в единый комплекс, обеспечивающий одновременно хранение, высокопроизводительную обработку данных моделирование и визуализацию результатов моделирования, что значительно усложняет его применение исследователями.  

 

 

 

Практическая значимость исследования
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут применяться при создании новых и повышении эффективности существующих подходов к проектированию высокотехнологичных материалов на основе редкоземельных металлов.
Полученные результаты окажут положительное влияние на развитие научных методов в области создания новых материалов и инструментальных средств для автоматизации процесса исследования их свойств в условиях сверхвысоких нагрузок.
Входящие в состав программного комплекса моделирования материалов алгоритмы и программное обеспечение распределённого хранения и обработки сверхбольших наборов данных, созданные в ходе проекта, обладают перспективой индивидуального практического применения в системах автоматизации научных исследований и в системах управления промышленными предприятиями.
Основное преимущество разрабатываемого программного комплекса будет состоять в возможности проведения полного цикла модельных исследований с поддержкой принятия решений по количественному составу компонентов и структуре создаваемого материала на основе РЗМ по требуемым техническим характеристикам.
Для повышения эффективности процесса моделирования и увеличения скорости вычислений в функционал программного комплекса будут заложены отдельные решения (алгоритмы и интерфейсы) для его интегрирования в единое информационное пространство распределенной вычислительной ГРИД-сети на основе персональных компьютеров.