РЕАЛИЗАЦИЯ КЛИЕНТСКОЙ ЧАСТИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ДИСЛОКАЦИОННЫХ ПЕТЕЛЬ В ГЦК- МЕТАЛЛАХ
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 История развития распределенных вычислений 8
1.1 Первое поколение систем распределенных вычислений 8
1.2 Второе поколение систем распределенных вычислений 9
1.3 Современные технологии распределенных вычислений 11
2 Обзор технологий распределенных вычислений 13
2.1 GRID - вычисления 13
2.1.1 Общие задачи Grid 13
2.1.2 Типы Grid-систем с точки зрения решаемых задач 14
2.1.3 Стандарты GRID 15
2.1.4 Устройство GRID-систем 16
2.2 Облачные вычисления 17
2.2.1 Модели обслуживания облачных вычислений 19
2.2.2 Компоненты облачных вычислений 20
2.2.3 Достоинства и недостатки облачных вычислений 21
2.3 Сравнение GRID и облачных вычислений 23
3 Примеры использования распределенных вычислений 26
3.1 Сравнение с суперкомпьютерами 26
3.2 Основные направления исследований 27
3.3 Как подключиться к сети распределенных вычислений 27
3.4 Популярные проекты 27
4 Описание модели 31
4.1 Математическая модель 31
4.2 Анализ математической модели 32
5 Программный комплекс для моделирования кристаллографического скольжения 36
5.1 Структура программного комплекса 36
5.2 Интерфейс программного комплекса 37
5.3 Описание базы данных 45
6 Реализация комплекса программ DDCS 47
7 Описание результатов вычислительных экспериментов 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
ВВЕДЕНИЕ 5
1 История развития распределенных вычислений 8
1.1 Первое поколение систем распределенных вычислений 8
1.2 Второе поколение систем распределенных вычислений 9
1.3 Современные технологии распределенных вычислений 11
2 Обзор технологий распределенных вычислений 13
2.1 GRID - вычисления 13
2.1.1 Общие задачи Grid 13
2.1.2 Типы Grid-систем с точки зрения решаемых задач 14
2.1.3 Стандарты GRID 15
2.1.4 Устройство GRID-систем 16
2.2 Облачные вычисления 17
2.2.1 Модели обслуживания облачных вычислений 19
2.2.2 Компоненты облачных вычислений 20
2.2.3 Достоинства и недостатки облачных вычислений 21
2.3 Сравнение GRID и облачных вычислений 23
3 Примеры использования распределенных вычислений 26
3.1 Сравнение с суперкомпьютерами 26
3.2 Основные направления исследований 27
3.3 Как подключиться к сети распределенных вычислений 27
3.4 Популярные проекты 27
4 Описание модели 31
4.1 Математическая модель 31
4.2 Анализ математической модели 32
5 Программный комплекс для моделирования кристаллографического скольжения 36
5.1 Структура программного комплекса 36
5.2 Интерфейс программного комплекса 37
5.3 Описание базы данных 45
6 Реализация комплекса программ DDCS 47
7 Описание результатов вычислительных экспериментов 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
Актуальность работы. В обширном диапазоне требований пластическая деформация реализуется с помощью механизмов кристаллографического скольжения, единственным процессом которого является распределение элементарного кристаллографического скольжения, которое ограничено изнутри кристалла дислокационной петлей, отделяющей область, прошедшего скольжения, от другой части плоскости скольжения. В большинстве случаев, возникает не единственная дислокационная петля, а серия дислокаций, создающих зону кристаллографического сдвига [1;2]. В то же время формирование элементарного кристаллографического скольжения и зоны сдвига происходит в динамическом режиме за время меньшее, чем длительность деформирующего воздействия [1]. Именно на уровне элементарных кристаллографических скольжений и зоны сдвига, являющейся связующим звеном между микро- и макро проявлениями сдвиговой деформации, начинается переход от описания на атомном уровне к описанию в терминах сплошной среды.
Используя математическую модель динамики элементарного кристаллографического скольжения [3], было выполнено исследование формирования дислокационной петли и зоны сдвига в меди. При исследовании выявлена работоспособность модели, а так же проблемы, связанные с использованием математической модели. В первую очередь, это колоссальные временные затраты на проведение вычислительных экспериментов, сложность структуры результатов экспериментов. Во-вторых, изучение роли вышеназванных факторов в закономерностях формирования зоны кристаллографического сдвига является весьма непростой задачей, поскольку в процессе формирования зоны кристаллографического сдвига дислокационная петля преодолевает сотни и тысячи дислокаций некомпланарных систем скольжения, а количество дислокационных петель, испущенных одним дислокационным источником, может достигать десятков и сотен дислокаций. Одной из причин недостаточной изученности процесса формирования зоны кристаллографического сдвига является большой объем информации, получаемой при исследовании.
Для моделирования динамики дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига был разработан специализированный комплекс программ Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip (DDCS), имеющий развитый интерфейс пользователя. С использованием комплекса программ DDCS были проведены исследования влияния на динамику расширения дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига плотности дислокаций, температуры, коэффициента вязкого трения дислокаций в меди, никеле, свинце и алюминии. Было показано, что результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными.
Объект и предмет исследований (диссертации). Объект исследования - дислокационная петля. Предмет исследования - моделирование динамики расширения дислокационной петли.
Цель работы. Разработка и реализация схемы организации эффективного проведения распределенных вычислительных экспериментов моделирования расширения замкнутой дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига, и проведение исследования зависимости динамики расширения дислокационных петель в никеле, меди, алюминии и свинце от значения коэффициента вязкого трения дислокаций.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Предложить эффективный способ организации проведения вычислительных экспериментов для моделирования замкнутой дислокационной петли;
2. Реализовать клиентскую часть распределенной вычислительной системы;
3. Провести исследование и выявить зависимости динамики расширения дислокационных петель в никеле, меди, алюминии и свинце от значения коэффициента вязкого трения.
Методы исследования и подходы - в ходе исследования были использованы методы математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Научные положения, выносимые на защиту (НПВЗ).
1. Впервые разработан и интегрирован в комплекс программ DDCS модуль взаимодействия с сервером постановки задач и сбора результатов вычислительных экспериментов.
2. В алюминии, никеле, меди, свинце максимальное значение радиуса в первой испущенной дислокационным источником дислокационной петли от значения коэффициента вязкого трения имеет слабо выраженный линейный характер.
3. При увеличении коэффициента вязкого трения ширина дислокационного скопления и количество дислокаций в скоплении практически не изменяется.
Достоверность защищаемых положений и других результатов подтверждается проведенным тестированием вычислительного модуля комплекса программ на задачах, которые имеют аналитическое решение, а также сравнением результатов вычислительных экспериментов с данными других исследователей. При проведении вычислительных экспериментов значения параметров математической модели, которые являются характеристиками металла или воздействия на него, использовались по результатам экспериментальных и теоретических исследований различных авторов.
Новизна результатов. Элементы научной новизны диссертационного исследования определяются следующими моментами:
1) предложена модель организации проведения распределенных вычислительных экспериментов для реализации модифицированных математических моделей динамики дислокационных петель
2) разработана клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ DDCS и интегрирована с серверной частью;
3) получены зависимости динамических характеристик замкнутой дислокации коэффициента вязкого трения в алюминии и сравнение полученных результатов моделирования с динамикой дислокационной петли в меди, никеле и свинце.
Научная ценность. Накопленные в базе данных значения характеристик по алюминию, свинцу, меди и никелю, полученные различными авторами в теоретических или экспериментальных исследованиях, позволят проводить моделирование кристаллографического скольжения в расширенном спектре металлов при различных внешних воздействиях.
Практическая значимость. Реализована клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ DDCS и интегрирована с серверной частью для проведения вычислительных экспериментов с использованием разработанных моделей. Архитектура комплекса позволяет без изменения его структуры подключать дополнительные модели, представленные в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Комплекс программ может быть использован в научных исследованиях и в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов.
По результатам проведенной работы было опубликовано 3 статьи, индексируемых в базах данных SCOPUS, кроме того одна из статей индексируется в РИНЦ.
Используя математическую модель динамики элементарного кристаллографического скольжения [3], было выполнено исследование формирования дислокационной петли и зоны сдвига в меди. При исследовании выявлена работоспособность модели, а так же проблемы, связанные с использованием математической модели. В первую очередь, это колоссальные временные затраты на проведение вычислительных экспериментов, сложность структуры результатов экспериментов. Во-вторых, изучение роли вышеназванных факторов в закономерностях формирования зоны кристаллографического сдвига является весьма непростой задачей, поскольку в процессе формирования зоны кристаллографического сдвига дислокационная петля преодолевает сотни и тысячи дислокаций некомпланарных систем скольжения, а количество дислокационных петель, испущенных одним дислокационным источником, может достигать десятков и сотен дислокаций. Одной из причин недостаточной изученности процесса формирования зоны кристаллографического сдвига является большой объем информации, получаемой при исследовании.
Для моделирования динамики дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига был разработан специализированный комплекс программ Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip (DDCS), имеющий развитый интерфейс пользователя. С использованием комплекса программ DDCS были проведены исследования влияния на динамику расширения дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига плотности дислокаций, температуры, коэффициента вязкого трения дислокаций в меди, никеле, свинце и алюминии. Было показано, что результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными.
Объект и предмет исследований (диссертации). Объект исследования - дислокационная петля. Предмет исследования - моделирование динамики расширения дислокационной петли.
Цель работы. Разработка и реализация схемы организации эффективного проведения распределенных вычислительных экспериментов моделирования расширения замкнутой дислокационной петли и формирования зоны кристаллографического сдвига, и проведение исследования зависимости динамики расширения дислокационных петель в никеле, меди, алюминии и свинце от значения коэффициента вязкого трения дислокаций.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Предложить эффективный способ организации проведения вычислительных экспериментов для моделирования замкнутой дислокационной петли;
2. Реализовать клиентскую часть распределенной вычислительной системы;
3. Провести исследование и выявить зависимости динамики расширения дислокационных петель в никеле, меди, алюминии и свинце от значения коэффициента вязкого трения.
Методы исследования и подходы - в ходе исследования были использованы методы математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Научные положения, выносимые на защиту (НПВЗ).
1. Впервые разработан и интегрирован в комплекс программ DDCS модуль взаимодействия с сервером постановки задач и сбора результатов вычислительных экспериментов.
2. В алюминии, никеле, меди, свинце максимальное значение радиуса в первой испущенной дислокационным источником дислокационной петли от значения коэффициента вязкого трения имеет слабо выраженный линейный характер.
3. При увеличении коэффициента вязкого трения ширина дислокационного скопления и количество дислокаций в скоплении практически не изменяется.
Достоверность защищаемых положений и других результатов подтверждается проведенным тестированием вычислительного модуля комплекса программ на задачах, которые имеют аналитическое решение, а также сравнением результатов вычислительных экспериментов с данными других исследователей. При проведении вычислительных экспериментов значения параметров математической модели, которые являются характеристиками металла или воздействия на него, использовались по результатам экспериментальных и теоретических исследований различных авторов.
Новизна результатов. Элементы научной новизны диссертационного исследования определяются следующими моментами:
1) предложена модель организации проведения распределенных вычислительных экспериментов для реализации модифицированных математических моделей динамики дислокационных петель
2) разработана клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ DDCS и интегрирована с серверной частью;
3) получены зависимости динамических характеристик замкнутой дислокации коэффициента вязкого трения в алюминии и сравнение полученных результатов моделирования с динамикой дислокационной петли в меди, никеле и свинце.
Научная ценность. Накопленные в базе данных значения характеристик по алюминию, свинцу, меди и никелю, полученные различными авторами в теоретических или экспериментальных исследованиях, позволят проводить моделирование кристаллографического скольжения в расширенном спектре металлов при различных внешних воздействиях.
Практическая значимость. Реализована клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ DDCS и интегрирована с серверной частью для проведения вычислительных экспериментов с использованием разработанных моделей. Архитектура комплекса позволяет без изменения его структуры подключать дополнительные модели, представленные в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Комплекс программ может быть использован в научных исследованиях и в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов.
По результатам проведенной работы было опубликовано 3 статьи, индексируемых в базах данных SCOPUS, кроме того одна из статей индексируется в РИНЦ.
В рамках данной работы была предложена модель организации проведения распределенных вычислительных экспериментов для реализации модифицированных математических моделей динамики дислокационных петель.
Проведено тестирование комплекса программ DDCS и исправление ошибок, возникающих при задание значений параметров модели при формировании сил, учитываемых в расчетах.
Реализована клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip DDCS и интегрирована с серверной частью для автоматизации исследования дислокационной динамики кристаллографического скольжения в ГЦК материалах.
Проведено исследование динамики коэффициента вязкого трения дислокаций кристаллографического скольжения в алюминии, свинце, меди и никели, где значение коэффициента вязкого трения дислокаций в расчетах варьировалось: для алюминия от 4-10'6 Па-с до 6-10'6 Па-с, для свинца 2,7-10'5 Па-с до 4,3-10'5 Па-с, для меди от 1,5-10'5 Па-с до 2,5-10'5 Па-с, для никеля 2-10'5 Па-с до 3-10'5 Па-с .
Проведено тестирование комплекса программ DDCS и исправление ошибок, возникающих при задание значений параметров модели при формировании сил, учитываемых в расчетах.
Реализована клиентская часть распределенной вычислительной системы в виде модуля комплекса программ Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip DDCS и интегрирована с серверной частью для автоматизации исследования дислокационной динамики кристаллографического скольжения в ГЦК материалах.
Проведено исследование динамики коэффициента вязкого трения дислокаций кристаллографического скольжения в алюминии, свинце, меди и никели, где значение коэффициента вязкого трения дислокаций в расчетах варьировалось: для алюминия от 4-10'6 Па-с до 6-10'6 Па-с, для свинца 2,7-10'5 Па-с до 4,3-10'5 Па-с, для меди от 1,5-10'5 Па-с до 2,5-10'5 Па-с, для никеля 2-10'5 Па-с до 3-10'5 Па-с .
