Моделі та методи проектування композиційних матеріалів з врахуванням теплофізичних характеристик

Abstract

У роботі розв'язано завдання вдосконалення та реалізації з допомогою технологій паралельних обчислень моделей та методів знаходження ефективних теплофізичних характеристик композиційних матеріалів при їх проектуванні. Розвинуто методи моделювання структур композиційних матеріалів завдяки одночасній побудові їх складних комбінацій та безпосереднього використання у якості дискретизації. Розвинуто чисельні моделі аналізу теплофізичних процесів у композиційних структурах завдяки об’єднаній формалізації зв’язаних задач, що дає змогу одночасно враховувати змішані крайові умови та однотипно досліджувати мультифізичні процеси. Вдосконалено методи знаходження ефективних характеристик, що дають змогу синтезувати такі характеристики для мікрорівневих моделей композиційних матеріалів у задачах проектування, уникаючи натурних експериментів. В работе решено задание совершенствования и реализации с помощью технологий распределенных и параллельных вычислений микроуровневых моделей и методов нахождения эффективных теплофизических характеристик композиционных материалов при их проектировании с использованием численных методов моделирования теплофизических процессов. Это дает возможность расширения рамок адекватности моделей относительно сложных композиционных структур и эффективного использования методов в итерационных процессах проектирования, избегая ресурсно-затратных натурных экспериментов. Получили дальнейшее развитие методы синтеза микроуровневых моделей сложных структур композиционных материалов. Отличием от известных является возможность одновременного использования разных методов генерации структуры и исключения этапа дискретизации объекта моделирования при дальнейшем решении задач анализа физических процессов, благодаря непосредственному использованию регулярной ячеечной микроуровневой структуры композиционных материалов в качестве сетки конечных элементов. Это позволяет на треть уменьшить количество вычислений, осуществить их декомпозицию и эффективно ее реализовать с помощью технологий параллельных и распределенных вычислений. На основе использования метода построения случайных скалярных полей в регулярных ячеистых моделях структуры композиционных материалов и алгоритма маскировки, впервые разработан метод построения случайных функционально-градуированных переходных слоев, что позволяет моделировать, рекуррентно при различных масштабах, композиционные структуры. Получили дальнейшее развитие основные численные модели теплофизических процессов в микроуровневых структурах композиционных материалов. Отличием от известных является объединенная с помощью единого матричного дифференциального оператора формализация связанных мультифизических задач, что позволяет одновременно учитывать связанные краевые условия и единственным образом исследовать протекание мультифизических процессов в микроуровневых моделях композиционных материалов. Такой подход особенно удобен при использовании в вычислениях прикладного программного обеспечения высокого уровня абстрактности. Усовершенствованы основные методы нахождения эффективных теплофизических характеристик композиционных материалов с помощью численного моделирования соответствующих процессов – на основе использования теории подобия и метода теплоэлектрических аналогий к микроуровневой конечно-элементной модели композиционных материалов сложной структуры, разработаны методы нахождения эффективных теплофизических характеристик. Полученные выражения позволяют синтезировать эффективные характеристики сложных микроуровневых моделей структур композиционных материалов в качестве критериев оптимальности для решения соответствующих задач проектирования композиционных материалов, избегая при этом натурных экспериментов. Модели и методы нахождения эффективных характеристик композиционных материалов на основе численного моделирования реализованные в прикладном программном обеспечении с помощью технологии параллельных и распределенных вычислений OpenCL, применение которой позволило ускорить модельные вычисления на порядок. Сходимость результатов вычислений подтверждено проведением численных экспериментов, их апостериорными оценками, сравнением с результатами аналогичной системы моделирования и натурными экспериментами. Полученный результат свидетельствует о возможности избегания основной проблемы реализации методов оптимального проектирования композитов на основе численного моделирования (необходимости проведения большого количества итерационных вычислений) путем их декомпозиции и параллельного выполнения. The thesis solved the problem of improving and implementation by technologies of parallel computing models and methods for composite materials effective thermal characteristics finding in the tasks of their design. Were developed the composite structures modeling methods due to the simultaneous construction of complex structure combinations and their immediate usage as the discretization. Were developed the thermal processes numerical analysis models, that taking place in composite structures, due to the joint formalization of coupled problems, which allow one to take into account mixed boundary conditions at the same time and describe multiphysical processes in one way. Were improved the methods of effective characteristics finding that allow one to synthesize composite materials microlevel models effective characteristics at design processes, avoiding natural experiments.