Юрий Згода

Юрий Згода, аспирант кафедры информационных систем и технологий СПбГАСУ, разработал веб-приложение высокопроизводительного компьютерного моделирования тонкостенных оболочечных конструкций OptiShellWeb. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023682869.

Тематикой высокопроизводительного моделирования тонкостенных оболочечных конструкций Юрий занимается с 2020 г. На данный момент по теме компьютерного моделирования оболочечных конструкций он подготовил 11 публикаций, из них пять – по теме нейросетевого моделирования. Юрий Згода – обладатель пяти свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Мы попросили Юрия рассказать, что такое оболочечные конструкции и как работает новое веб-приложение.

– Тонкостенная оболочечная конструкция, или оболочка – это криволинейная конструкция, у которой один из размеров (толщина) значительно меньше двух других. Оболочки обладают большой вариативностью геометрии, а их криволинейность обеспечивает повышенную прочность и жёсткость. В связи с этим они широко используются во множестве областей, в том числе в архитектуре и строительстве. Стоит отметить, что на данный момент оболочки активно исследуются научным сообществом, однако вопрос их высокопроизводительного моделирования остаётся относительно малоизученным. 

– В нашем вузе тоже изучают оболочки? 

– Оболочки являются неотъемлемой частью учебного процесса в СПбГАСУ и рассматриваются в соответствующих дисциплинах студентов архитектурно-строительных направлений. В вузе есть научная школа «Компьютерные технологии комплексного исследования прочности, устойчивости и нелинейных колебаний строительных конструкций, зданий и сооружений», в рамках которой активно исследуются оболочки.

Студенты ИТ-специальностей «Прикладная математика и информатика» и «Информационные системы и технологии» изучают разработку программного обеспечения моделирования оболочек, в том числе с использованием оригинальных подходов научной школы.

– В чём оригинальность этих подходов?

– При обучении студентов моделированию оболочек важно предоставить им возможность валидации получаемых результатов с использованием эталонного решения. Другим аспектом обучения является формирование пространственного представления о деформировании оболочки. Студентам зачастую проблематично представить, каким образом деформируется геометрия оболочки в соответствии с результатами расчётов.

Для расчёта тонкостенных оболочек чаще всего применяют конечно-элементные программные комплексы ANSYS и ABAQUS. Однако для их использования студентам необходимо иметь навыки работы с соответствующим ПО, которые они обычно получают в рамках отдельных дисциплин. Таким образом, возникает необходимость в разработке оригинального программного решения для моделирования оболочек, предоставляющего лёгкий в освоении интерфейс для оперативного получения результатов моделирования той или иной конструкции.

– OptiShellWeb стало таким решением?

– Веб-приложение OptiShellWeb позволяет выполнять высокопроизводительное моделирование напряжённо-деформированного состояния оболочек по методу Ритца. Оно включает в себя средства наглядной визуализации и интуитивно-понятный пользовательский интерфейс, позволяющие быстро перейти от описания рассматриваемой задачи к результатам моделирования.

• Одной из главных особенностей разработанного решения является высокая производительность. Расчёт с использованием данного приложения занимает в десятки раз меньше времени по сравнению с аналогичным конечно-элементным расчётом (в среднем несколько десятков секунд). Все результаты сохраняются в базе данных, поэтому при повторном запросе на расчёт той же самой конструкции пользователь получает результаты мгновенно. Дополнительно веб-приложение включает в себя документацию, подробно описывающую применяемую математическую модель и численные методы.

Все эти факторы позволяют успешно интегрировать OptiShellWeb в учебный процесс. Кроме того, разработанное решение может быть эффективно использовано в организациях, деятельность которых предполагает частые расчёты различных оболочечных конструкций.

– Как проходила работа над веб-приложением?

– Данная работа выполнялась в рамках научной школы СПбГАСУ «Компьютерные технологии комплексного исследования прочности, устойчивости и нелинейных колебаний строительных конструкций, зданий и сооружений», основателем которой является профессор Владимир Васильевич Карпов. Соавтор данной программы – мой научный руководитель, к. т. н., доцент кафедры информационных систем и технологий Алексей Александрович Семенов.

Разработка велась с использованием языка программирования Julia – относительно молодого языка, предназначенного для высокопроизводительных научных вычислений. Ориентированность Julia на научные вычисления позволила существенно упростить процесс разработки вычислительной составляющей приложения. В то же время инструментарий, необходимый для построения серверной составляющей веб-приложения, на данный момент не так развит, как у других языков программирования. В связи с этим в ходе разработки регулярно возникала необходимость в исследовании исходного кода программных библиотек, с использованием которых реализовывалась серверная составляющая.

– Поделитесь, пожалуйста, своими дальнейшими планами.

– На данный момент рассматриваются различные вопросы, связанные с интеграцией разработки в учебный процесс. Данное решение существенно упрощает процедуру проверки студенческих работ и их отладку, а также может быть использовано для наглядной визуализации геометрии оболочки. Тестирование показало, что оно может быть использовано не только в рамках рассмотренной дисциплины, но и в рамках любой другой дисциплины СПбГАСУ, где требуется выполнять компьютерное моделирование оболочек и исследовать напряжённо-деформированное состояние этих конструкций.