CAE-стратегия расчета роторных систем на основе распараллеливания вычислительных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

CAE-стратегия расчета роторных систем на основе распараллеливания вычислительных процессов

Соломин О.В.,

Развитие информационных технологий и средств вычислительной техники привело к широкому использованию CAE\CAD\CAM-систем в инженерной и исследовательской практике при расчете и проектировании роторных систем агрегатов различного назначения. Роторная система представляет собой сложный технический объект с многочисленными обратными связями и сочетающий в себе энергетические потоки различной природы: механические, гидравлические, тепловые, электромагнитные и т.д. В состав роторных систем входят сложные устройства и узлы: валы, турбины, опорные узлы, демпфирующие и уплотнительные элементы, муфты и т.п.

В настоящее время в практике расчета роторных систем достаточно широко применяются CAE-системы типа ANSYS, NASTRAN, COSMOS/M, NISA\ROTOR и другие, использующие метод конечных элементов (МКЭ) в качестве подхода к решению задач динамики роторов. Однако, несмотря на то, что эти пакеты позволяют получить многие важные для инженера и исследователя результаты, все же решение задачи о прямом моделировании поведения динамической системы в режиме реального времени остается актуальным.

Современные CAE-системы позволяют определять стационарные и динамические характеристики и рабочих параметров каждого из узлов, входящих в состав роторной системы. Однако определение движения каждой из подвижных масс роторной системы задача довольно сложная. Характерным примером может служить расчет динамических коэффициентов жесткости и демпфирования подшипников жидкостного трения и последующая их подстановка в расчетную схему для нахождения критических частот ротора. Это не позволяет учесть такие важные факторы как переменность критических частот или возникновение в системе самовозбуждающихся и хаотических вибраций.

Основной трудностью построения CAE-стратегии моделирования динамики натурной роторной системы является, по-видимому, относительно низкая производительность современных персональных рабочих станций.

Практика расчетов показывает, что большую часть ресурсов ЭВМ занимает расчет силовых факторов в опорных, уплотнительных и демпфирующих устройствах. Современная схема выполнения расчетов по своей сути последовательна и требует завершения расчетов для одного узла прежде чем перейти к расчету следующего (рисунок 1).

Рисунок 1 - Алгоритм последовательного расчета

Авторами предлагается подход к построению САЕ-стратегии, основанный на идее параллельных вычислений силовых факторов тех узлов и элементов, которые не требуют знания друг о друге (рисунок 2). Данный подход позволяет в значительной степени сократить время расчета системы. Так же следует отметить возможность параллельного расчета других независимых элементов системы.

Для реализации данного подхода предлагается следующая схема взаимодействия элементов программного комплекса (рисунок 3). Основная часть работ пользователя производится в Среде моделирования - специализированной программе, разрабатываемой авторами, которая является составной частью программного комплекса. После завершения построения модели ее описание передается Диспетчеру, который так же является частью программного комплекса и разрабатывается авторами. После анализа структуры модели Диспетчер формирует взаимно-независимые задачи, решение которых могут быть рассчитаны на удаленных компьютерах. Предлагаемая авторами схема построения программного комплекса представлена на рисунке 3.

Рисунок 2 - Алгоритм параллельного расчета

Рисунок 3 - Схема взаимодействия элементов программного комплекса

Одной из важнейших составляющих данного подхода является способ описания модели. Авторами предлагается следующий способ описания:

Model <имя модели>{

input {<описание данных>}

calcul {<описание преобразований>}

output {<описание результатов>}}

Одной из важнейших особенностей предлагаемого способа является возможность построения иерархии моделей. Как правило, сложные модели могут быть построены как совокупность более простых моделей и связей между ними. Такой подход позволяет лучше структурировать модель, а так же избежать повторного построения на различных уровнях моделирования.

Схема обмена данными между элементами программного комплекса в предлагаемом подходе представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема обмена данными между элементами разрабатываемого программного комплекса

На взгляд авторов наиболее эффективным способом разбиения модели будет параллельный расчет ее подмоделей. Параллельные вычисления на более низких уровнях, во-первых, потребуют значительного усложнения алгоритма (а следовательно и загрузки Диспетчера), во-вторых, потребует значительных временных затрат на сетевое взаимодействие между Диспетчером и Задачами.

Несмотря на быстрое развитие персональных ЭВМ ресурсов современной (а так же перспективной) рабочей станции недостаточно для приемлемого по времени расчета сложных роторных систем. Предложенная авторами модель программного комплекса позволяет эффективно реализовать параллельные вычисления независимых элементов данной системы. программный роторный сетевой

Основными направлениями дальнейшей работы являются:

построение эффективного алгоритма распараллеливания задачи;

организация сетевого взаимодействия между частями программного комплекса; построение адекватной модели роторной системы.

Конкретное применение разрабатываемого программного комплекса и сравнительный анализ эффективности применения параллельных вычислений будет приведен авторами в последующих работах.

Размещено на Allbest.ru