Многопоточное программирование и кеширование в рамках микросервисной архитектуры для исследования оболочечных конструкций

  • Евгений Алексеевич Буйволов Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ул. 2-я Красноармейская, 4, 190005, г. Санкт-Петербург, Россия
  • Алексей Александрович Семенов Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ул. 2-я Красноармейская, 4, 190005, г. Санкт-Петербург, Россия
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-6508-2023-2-63-79

Аннотация

Статья посвящена вопросу разработки высокопроизводительного программного обеспечения для расчета тонкостенных оболочечных конструкций, процесс деформирования которых носит существенно нелинейный характер и требует больших вычислительных ресурсов. Использована математическая модель типа Тимошенко (Миндлина – Рейснера), учитывающая геометрическую нелинейность, ортотропию материала, поперечные сдвиги и наличие ребер жесткости. Модель записана в виде функционала полной потенциальной энергии деформации и может быть применена для исследования конструкций различной геометрической формы. Для осуществления расчета использованы метод Ритца и метод Ньютона. При программной реализации показано, каким образом от сервисной архитектуры получилось перейти к эффективной микросервисной архитектуре, заменив один из недостаточно производительных Java-модулей на Python-модуль. Проведена оптимизация вычислительного алгоритма для реализации многопоточного расчета всех стадий вычисления, включая метод Ньютона. Выполнены замеры производительности расчета при различных подходах к реализации многопоточного расчета, а именно parallelStream и ForkJoinPool. Затронуто использование концепции MapReduce в рамках фреймворка Java Stream API. Таким образом, разработано эффективное микросервисное приложение, позволяющее моделировать процесс деформирования оболочечных конструкций, в том числе усиленных ребрами жесткости. Полученный в клиентской части приложения графический результат зависимости прогиба от нагрузки позволяет судить о корректности численного решения. Показана эффективность предложенного алгоритма по сравнению с подходом, реализованным в математическом пакете Maple (на основе анализа устойчивости пологой оболочки двоякой кривизны).

Биографии авторов

Евгений Алексеевич Буйволов, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ул. 2-я Красноармейская, 4, 190005, г. Санкт-Петербург, Россия

аспирант кафедры информационных технологий строительного факультета. Научный руководитель – А. А. Семенов

Алексей Александрович Семенов, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ул. 2-я Красноармейская, 4, 190005, г. Санкт-Петербург, Россия

кандидат технических наук, доцент; заведующий кафедрой информационных технологий строительного факультета

Литература

  1. Zeybek Ö, Topkaya C, Rotter JM. Requirements for intermediate ring stiffeners placed below the ideal location on discretely supported shells. Thin-Walled Structures. 2017;115:21–33. DOI: 10.1016/j.tws.2017.02.003.
  2. Starovoitov EI, Nesterovich AV. The non-axisymmetric loading of an elastoplastic three-layer plate in its plane. Journal of the Belarusian State University. Mathematics and Informatics. 2022;2:57–69. Russian. DOI: 10.33581/2520-6508-2022-2-57-69.
  3. Raeesi A, Ghaednia H, Zohrehheydariha J, Das S. Failure analysis of steel silos subject to wind load. Engineering Failure Analysis. 2017;79:749–761. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.04.031.
  4. Chen Bo, Zhong Pengpeng, Cheng Weihua, Chen Xinzhong, Yang Qingshan. Correlation and combination factors of wind forces on cylindrical roof structures. International Journal of Structural Stability and Dynamics. 2017;17(9):1750104. DOI: 10.1142/S0219455417501048.
  5. Yin Caiyu, Jin Zeyu, Chen Yong, Hua Hongxing. Effects of sacrificial coatings on stiffened double cylindrical shells subjected to underwater blasts. International Journal of Impact Engineering. 2020;136:103412. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103412.
  6. Ren Shaofei, Song Ying, Zhang A-Man, Wang Shiping, Li Pengbo. Experimental study on dynamic buckling of submerged grid-stiffened cylindrical shells under intermediate-velocity impact. Applied Ocean Research. 2018;74:237–245. DOI: 10.1016/j.apor.2018.02.018.
  7. Seo Jung Kwan, Song Chan Hee, Park Joo Shin, Paik Jeom Kee. Nonlinear structural behaviour and design formulae for calculating the ultimate strength of stiffened curved plates under axial compression. Thin-Walled Structures. 2016;107:1–17. DOI: 10.1016/j.tws.2016.05.003.
  8. Grachev VA, Neustadt YuS. Buckling problems of thin elastic shells. Computer Research and Modeling. 2018;10(6):775–787. Russian. DOI: 10.20537/2076-7633-2018-10-6-775-787.
  9. Yankovskii AP. Refined deformation model for metal-composite plates of regular layered structure in bending under conditions of steady-state creep. Mechanics of Composite Materials. 2017;52(6):715–732. DOI: 10.1007/s11029-017-9622-7.
  10. Stupishin L, Nikitin K, Kolesnikov A. Numerical research orthotropic geometrically nonlinear shell stability using the mixed finite element method. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017;201:012019. DOI: 10.1088/1757-899X/201/1/012019.
  11. Maksimyuk VA, Storozhuk EA, Chernyshenko IS. Nonlinear deformation of thin isotropic and orthotropic shells of revolution with reinforced holes and rigid inclusions. International Applied Mechanics. 2013;49(6):685–692. DOI: 10.1007/s10778-013-0602-x.
  12. Huang Sixin, Qiao Pizhong. A new semi-analytical method for nonlinear stability analysis of stiffened laminated composite doubly-curved shallow shells. Composite Structures. 2020;251:112526. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112526.
  13. Wang Jingchao, Li Zheng Liang, Yu Wei. Structural similitude for the geometric nonlinear buckling of stiffened orthotropic shallow spherical shells by energy approach. Thin-Walled Structures. 2019;138:430–457. DOI: 10.1016/j.tws.2018.02.006.
  14. Obodan NI, Gromov VA. The complete bifurcation structure of nonlinear boundary problem for cylindrical panel subjected to uniform external pressure. Thin-Walled Structures. 2016;107:612–619. DOI: 10.1016/j.tws.2016.07.020.
  15. Evdokimov AA. Methodology of use multithreaded programming for automated systems multiprocess galvanic lines. Vestnik of Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod. 2013;1(3):306–312. Russian.
  16. Mizin SV, Makhmutov VS, Maksumov OS, Kvashnin AN. [Application of multipipeline programming for a physical experiment]. Kratkie soobshcheniya po fizike Fizicheskogo instituta imeni P. N. Lebedeva Rossiiskoi akademii nauk. 2011;2:8–18. Russian.
  17. Paznikov AA, Pavsky KV, Pavsky VA, Kupriyanov MS. [Modeling algorithms for optimizing the execution of critical sections on dedicated processor cores in multicore computing systems]. In: Trudy II Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii po problemam upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh (СTS-2017); 25–27 oktyabrya 2017 g.; Sankt-Peterburg, Rossiya [Proceedings of the 2nd International scientific conference on control problems in technical systems (СTS-2017); 2017 October 25–27; Saint Petersburg, Russia]. Saint Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»; 2017. p. 54–57. Russian.
  18. Kadomskii AA, Zakharov VA. [Efficiency of multithreaded applications]. Nauchnyi zhurnal. 2016;7:26–28. Russian.
  19. Fairushin RN, Yakupov IM. [Increasing the efficiency of programs using parallel computation of problems]. Vestnik sovremennykh issledovanii. 2018;6(3):583–585. Russian.
  20. Karpov VV, Semenov AA. Refined model of stiffened shells. International Journal of Solids and Structures. 2020;199:43–56. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.03.019.
  21. Bakusov PA, Semenov AA. Stability of toroidal shell segments at variation of a deflection angle. PNRPU Mechanics Bulletin. 2017;3:17–36. Russian. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.02.
  22. Nazarkov DA, Telyshev AV. [Comparative analysis of monolithic and microservice architectures of information systems]. Dnevnik nauki. 2019 [cited 2022 February 20];5:48–55. Available from: http://www.dnevniknauki.ru/images/publications/2019/5/technics/Nazarkov_Telyshev.pdf. Russian.
Опубликован
2023-07-31
Ключевые слова: оболочки, устойчивость, микросервисная архитектура, многопоточное программирование, Python, Vue.js, Maple
Как цитировать
Буйволов, Е. А., & Семенов, А. А. (2023). Многопоточное программирование и кеширование в рамках микросервисной архитектуры для исследования оболочечных конструкций. Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика, 2, 63-79. https://doi.org/10.33581/2520-6508-2023-2-63-79
Выпуск
№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика
Раздел
Теоретические основы информатики

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).