ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Публикационная активность

(сведения по итогам 2017 г.)
2-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,500
2-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,405
Двухлетний импакт-фактор РИНЦ с учетом цитирования из всех
источников: 0,817
5-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,319
5-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,264
Суммарное число цитирований журнала в РИНЦ: 6012
Пятилетний индекс Херфиндаля по цитирующим журналам: 404
Индекс Херфиндаля по организациям авторов: 338
Десятилетний индекс Хирша: 17
Место в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год: 527
Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год по тематике "Автоматика. Вычислительная техника": 16

Больше данных по публикационной активности нашего журнале за 2008-2017 гг. на сайте РИНЦ

Вход


Забыли пароль? / Регистрация

Добавить в закладки

Следующий номер на сайте

4
Ожидается:
16 Декабря 2018

Программная среда расчетных сеточных моделей для параллельных вычислений

Статья опубликована в выпуске журнала № 2 за 2008 год.[ 24.06.2008 ]
Аннотация:
Abstract:
Авторы: Копысов С.П. () - , , , Пономарев А.Б. () - , , , Сагдеева Ю.А. () - , , , Новиков А.К. () - , , , Рычков В.Н. () - , ,
Ключевые слова: расчетные сеточные модели, параллельные решения задач, моделирование
Keywords: , , modeling
Количество просмотров: 9623
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (1.83Мб)

Размер шрифта:       Шрифт:

При параллельном решении задач математического моделирования одной из основных проблем является приведение геометрической модели к расчетной. По описанию тела необходимо построить расчетную сетку, затем поставить расчетные условия и разделить сетку для параллельных распределенных вычислений. Все эти этапы требуется выполнять интерактивно и визуализировать результаты.

Проблемы параллельных и распределенных вычислений связаны, в частности, с необходимостью подготовки больших объемов начальных данных и обработки массивов полученной информации до и после вычислений на многопроцессорных системах [1-3].

Поэтому актуальным является построение CAE-системы, включающей в себя и специфические функции: подготовку и работу с распределенными данными; функции проверки правильности введенных данных; оптимальную передачу и визуализацию больших объемов данных с возможностью фильтрации ненужной в данный момент информации и др.

Структура среды построения расчетных моделей

Среда построения расчетных моделей состоит из пяти логических составляющих: геометрия, сетка, расчетная сетка, разделенная сетка и распределенная сетка (строки таблицы). Каждая составляющая содержит компоненты ввода/вывода, объектно-ориентированной модели и визуализации (столбцы таблицы).

В таблице перечислены некоторые свойства компонентов, реализованные на соответствующем логическом уровне. Составляющие геометрии и сетки определяют базовый уровень, каждая следующая логическая составляющая зависит от предыдущих уровней. Составляющие допускают наращивание функциональности. Объектно-ориентированная модель разбивается на структуры данных и алгоритмы. Деление на уровни отражает принцип декомпозиции сложных задач на более простые.

При построении программной среды стояла задача получить по возможности платформо-независимое программное обеспечение, при этом были использованы следующие технологии: объектно-ориентированное проектирование (UML, Rational Rose), объектно-ориентированное программирование (Visual C++, MFC, CORBA [4]).

Структура программной среды FEStudio

Модели

Ввод/вывод

Объектно-ориентированная модель

Визуали- зация

Структуры данных

Алгоритмы

Геометрия

Импорт/ экспорт (IGES/STEP/STL); автоматизированная процедура проверки и восстановления геометрии

Твердые тела; поверхности; каркасные модели; воксели

Поверхностная триангуляция

Структура визуального приложения на основе Open CASCADE и MFC

Сетка

Формат файла; импорт/ экспорт (CGNS); автоматизированная процедура проверки и восстановления сетки

2D/3D сетки; ячейки произвольной формы; уникальные индексы объектов; размещение объектов в памяти; свойства сеточных объектов; связь с геометрическими данными

Построение сеток: поверхностных, тетраэдальных, шестигранных, смешанных.

Оптимизация: сглаживание, огрубление.

Адаптивное перестроение сеток по шаблону

Расширение Open CASCADE

Расчетные

данные

Расширение формата файла для расчетных данных; импорт/ экспорт (CGNS); связь с геометрическими и сеточными данными

Расчетные данные: граничные условия; материальные характеристики.

Расчетная геометрия.

Расчетная сетка

Расстановка расчетных данных; перенос граничных условий с геометрии на сетку

Визуализация исходных данных; визуализация результатов

Разделенная сетка

Ввод/вывод разделенной сетки

Иерархия сеток: подсетка есть сетка; граф подсеток; заместители сеточных объектов

Методы статического разделения: разделение взвешенного узлового (элементного) графа; разделение на основе геометрической информации

Визуализация разделенной сетки

Распределенная сетка

Параллельный ввод/вывод

Взаимодействие с объектами инфраструктуры CORBA; SPMD-объекты; взвешенный граф МВС

Параллельное построение и перестроение сеток; методы динамического перераспределения; мониторинг загрузки

Визуализация удаленных данных; визуализация больших объемов данных

Модель геометрии

Создание геометрической модели расчетной области является первым этапом при построении расчетной сетки (первая строка таблицы). Для работы с геометрией на этапе генерации сетки и при выполнении операций над ней (уточнение, огрубление и др.) была использована открытая система геометрического моделирования Open CAS- CADE [5]. Использование классов топологических форм объектов (твердое тело, геометрическая грань, ребро, вершина) позволяет реализовать операции, требующие уточнения сетки по геометрическому описанию области, например, на криволинейных поверхностях.

Модель сетки

Структура данных для хранения сетки существенно влияет на трудоемкость алгоритмов, а также на скорость реализации сеточной модели. Выбрана структура со связностью объектов вида узлы – ребра – грани – ячейки, содержащая все возможные типы объектов.

Объектно-ориентированная модель расчетной сетки. Основу модели сетки (вторая строка таблицы) составляют классы (рис. 1): Object и Mesh. На диаграмме имена классов начинаются с префикса Mesh_ModelingData, который обозначает принадлежность класса логической подсистеме. Класс Object является базовым для всех сеточных объектов. Классы Node, Edge, Polygon, Cell представляют объекты соответствующих размерностей: узел, ребро, грань, ячейка.

Между соседними уровнями существует двунаправленная связь: ребро содержит ссылки на образующие его узлы, а узел – на соответствующие ребра. Класс Property присваивает сеточному объекту произвольные свойства, которые хранятся в динамическом списке. В классе Property определены функции сравнения свойств по типу и значению, а также сортировка по типу. На основе данного класса реализуются расчетные данные. Класс Mesh служит контейнером для всех сеточных объектов и свойств, обеспечивает единственность объектов. Новые объекты и свойства создаются вызовом соответствующих функций сетки, которые проверяют наличие такого объекта в списке, если объект уже создан, функция возвращает имеющийся, в другом случае объект вносится в список.

Сеточные генераторы. В программной среде реализовано построение неструктурированной 3D-сетки по CAD-геометрии для многосвязных областей, включая параллельное [6].

Перестроение сеток. Реализованы процедуры создания шестигранной сетки из тетраэдальной (делением каждого тетраэдра на 4 гексаэдра), адаптация сетки происходит с учетом CAD-геометрии.

Модель разделенной сетки

Эффективность параллельного решения задач зависит от качества разделения неструктурированных сеток.

Подпись: Рис. 2. Модель разделенной сеткиПодпись: Рис. 1. Диаграмма классов модели сеткиДанная модель (четвертая строка таблицы) базируется на модели сетки, введенной выше. Классы разделенной модели наследуют соответствующие им классы базовой модели (рис. 2). Особенностью разделенной модели является представление сетки и подсетки одним и тем же классом. Класс Mesh ссылается сам на себя. Таким образом, подсетки могут рассматриваться как самостоятельные сетки, что позволяет применять к подсеткам те же алгоритмы и использовать в тех же расчетах, что и разделенные сетки без изменения программного кода. Примером является алгоритм адаптивного перестроения сетки.

При разделении сетки возникают объекты, принадлежащие двум или более подсеткам. Такие объекты назовем граничными. Процесс разделения сетки содержит следующие шаги. 1. Подготовка объектов. Определяются граничные и внутренние объекты, которые необходимо создать в подсетках, создаются списки объектов, посылаемых в подсетки. 2. Рассылка объектов. Выполняется последовательная рассылка объектов. Последующие процессы выполняются на подсетках параллельно. В подсетках создаются клиенты на граничные объекты. Затем создаются локальные узлы согласно передаваемым координатам, после них – ребра, далее грани и ячейки.

Модель распределенной сетки

Распределение подсеток и сеточных объектов требует расширения модели разделенной сетки и создания новой подсистемы, описывающей распределенную сетку (пятая строка таблицы), элементы которой находятся в различных адресных пространствах, в том числе, и на различных вычислительных узлах. Распределенная сетка обеспечивает коммуникации между сеткой и подсетками, между подсетками, а также между объектами, находящимися в разных подсетках. В распределенной модели введено понятие остова сетки, который управляет подсетками и организует коммуникации между ними, синхронизирует алгоритмы.

Граничные объекты хранятся в остове, а в подсетках создаются заместители, отличающиеся от обычных сеточных объектов только реализацией. Заместители обеспечивают доступ к реальному объекту посредством коммуникаций, реализованных на технологии CORBA [7].

Работа с сеткой, находящейся на удаленном сервере, аналогична работе с обычной сеткой, все преобразования аргументов и вызовы методов выполняют клиент и сервант сетки, связь с удаленным сервером происходит через CORBA (рис. 3). Все преобразования и коммуникации скрыты во внутренней реализации сеточных объектов распределенной модели, что позволяет избежать модификаций используемых алгоритмов. Выделено три стратегии перемещения объектов: 1) перемещение объекта со всеми свойствами (базовая стратегия); 2) перемещение сеточного объекта с созданием некоторых (или всех) его свойств заново (в функции перемещения, у класса, указывается удаление свойства с последующей инициализацией его на другой стороне); 3) удаленный доступ через заместителя объекта без реального перемещения самого объекта.

Визуализация

На основе модулей Open CASCADE реализовано визуальное приложение расчетных моделей FEStudio [8], содержащее окна отображения геометрии, древовидной структуры документа и окно установки свойств объектов. В библиотеке визуализации сетки реализованы интерфейсы для импорта/экспорта ряда сеточных форматов (GRUMMP, CGNS и др.).

Предлагаемая программная среда используется: при создании расчетной сетки и модели; в ходе вычислений при параллельной адаптации сетки к решению и геометрии области; для визуализации полученных сеток и результатов. Применение среды для параллельного построения больших неструктурированных сеток объединило построение и разделение сетки, уменьшая ввод/вывод и расходы на пересылку данных.

Подпись: Рис. 3. Набор классов для взаимодействия между клиен-том и удаленными серверамиСписок литературы

1. Tautges T.J. CGM: A Geometry Interface for Mesh Generation, Analysis and Other Applications // Eng. With Computers. – 2001. – V. 17. – P.299-314.

2. Четверушкин Б.Н., Гасилов В.А., Поляков С.В., Якобовский М.В. и др. Пакет прикладных программ GIMM для решения задач гидродинамики на многопроцессорных вычислительных системах // Матем. моделирование. – 2005. – Т. 17. - № 6. – С.58-74.

3. Копысов С.П., Красноперов И.В., Рычков В.Н. Реализация объектно-ориентированной модели метода декомпозиции области на основе параллельных распределенных компонентов CORBA // Выч. методы и программирование. – 2003. – Т.4. – С. 194-206.

4. Цимбал А. Технология CORBA для профессионалов. – СПб: Изд. дом "Питер", 2001.

5. Open CASCADE, simulation integrator: (http://www.opencascade.com)

6. Свидетельство об офиц. рег. в Реестре программ для ЭВМ MultiDomain №2006614109 1.12.2006.

7. Копысов С.П., Пономарев А.Б., Рычков В.Н., Зубцовский С.Н. Расчетные неструктурированные сетки для распределенных вычислений // Сибирская школа-семинар по параллельным вычислениям. - Томск: Изд-во Томского ун-та. – 2005. – С.19-25.

8. Kopyssov S.P., Rychkov V.N., Ponomaryov A.B. The integration of CAD-systems and generators of unstructured 3D mesh // Proceedings of the workshop "Grid generation: theory and applications", June 24-28, 2002, Dorodnicyn Computing Centre RAS, Moscow, Russia. – P. 218-229.


Постоянный адрес статьи:
http://swsys.ru/index.php?page=article&id=761
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (1.83Мб)
Статья опубликована в выпуске журнала № 2 за 2008 год.

Возможно, Вас заинтересуют следующие статьи схожих тематик: