Diskrečiųjų dalelių sistemose sklindačių plyšių vizualizavimo metodai ir išskirstytotji programinė įranga

Abstract

Mokslinis vizualizavimas tampa vis svarbesniu analizuojant sudėtingas priklausomybes skaičiavimų ir eksperimentų rezultatuose. Diskrečiųjų dalelių sistemų lygiagretūs skaičiavimai generuoja didelius duomenų kiekius, kurie saugomi ir vizualizuojami išskirstytose informacinių technologijų infrastruktūrose. Dideli, geografiškai išskirstyti duomenų kiekiai reikalauja sudėtingos programinės įrangos efektyviems skaičiavimams ir interaktyviam vizualizavimui išskirstytose heterogeninėse architektūrose. Diskrečiųjų elementų metodu modeliuojant kontinuumo mikrostruktūrą, tarp dalelių nutrūkusios jungtys gali sudaryti sudėtingos formos plyšius, kurių geometrija nėra žinoma. Sudėtinga plyšių forma su skylėmis ir apibrėžiančio skaliarinio lauko nebuvimas riboja standartinių paviršių ištraukimo metodų taikymo galimybes. Vizualizuojant plyšius, reikia sukonstruoti plyšių paviršių geometriją iš tarp dalelių nutrūkusių jungčių topologijos ir kaimyninių dalelių pozicijų. Disertacijos tikslas yra patobulinti diskrečiųjų dalelių sistemų vizualizavimo metodus bei padidinti metodų realizacijos išskirstytoje programinėje įrangoje greitaveiką. Disertaciją sudaro įvadas, trys pagrindiniai skyriai ir bendrosios išvados. Pirmajame skyriuje apžvelgta vizualizavimo programinė įranga, išskirstytosios vizualizavimo sistemos išteklių tinklo aplinkose, dalelių sistemų modeliavimas diskrečiųjų elementų metodu ir plyšių, sklindančių dalelių sistemose, vizualizavimo metodai. Antrajame skyriuje detaliai aprašomi metodai sukurti vizualizuoti plyšius, kurie sklinda monodispersinėse dalelių sistemose, modeliuojamose diskrečiųjų elementų metodu. Pažeistuose regionuose celių kirtimo, Voronoi dekompozicijos ir celių centrų metodai geometriniais primityvais apibrėžia sklindančių plyšių geometriją. Sukurti plyšių vizualizavimo metodai įdiegti vizualizavimo e. paslaugoje VizLitG ir išskirstytojoje vizualizavimo sistemoje VisPartDEM. Dalinio duomenų rinkinio parsiuntimo iš išteklių tinklo duomenų saugyklos paslauga įdiegta VizLitG siunčiamų duomenų kiekiui sumažinti ir vizualizavimui pagreitinti. Trečiajame skyriuje aprašomi eksperimentinių tyrimų rezultatai. E. paslaugos VizLitG greitaveika ištirta geografiškai išskirstyto išteklių tinklo atveju. Pateikti duomenų siuntimo skirtinga programine įranga iš išteklių tinklo duomenų saugyklos tyrimai. Skyriuje pateikti plyšių vizualizavimo metodų greitaveikos ir tikslumo kiekybiniai palyginimai. Voronoi dekompozicijos metodo realizacijos greitaveika palyginta su Voro++ bibliotekos greitaveika. Plyšių vizualizavimo metodų tikslumas įvertintas apskaičiavus bendrą sukonstruotų paviršių įsiskverbimo į daleles gylį. Tyrimų rezultatai parodė, kad pasiūlyti vizualizavimo metodai ir sukurta programinė įranga tinka vizualizuoti plyšiams sklindantiems monodispersinėse dalelių sistemose.

Scientific visualization is becoming increasingly important in analyzing and interpreting numerical and experimental data sets. Parallel computations of discrete particle systems lead to large data sets that can be produced, stored and visualized on distributed IT infrastructures. However, this leads to very complicated environments handling complex simulation and interactive visualization on the remote heterogeneous architectures. In micro-structure of continuum, broken connections between neighbouring particles can form complex cracks of unknown geometrical shape. The complex disjoint surfaces of cracks with holes and unavailability of a suitable scalar field defining the crack surfaces limit the application of the common surface extraction methods. The main visualization task is to extract the surfaces of cracks according to the connectivity of the broken connections and the geometry of the neighbouring particles. The research aims at enhancing the visualization methods of discrete particle systems and increasing speed of distributed visualization software. The dissertation consists of introduction, three main chapters and general conclusions. In the first Chapter, a literature review on visualization software, distributed environments, discrete element simulation of particle systems and crack visualization methods is presented. In the second Chapter, novel visualization methods were proposed for extraction of crack surfaces from monodispersed particle systems modelled by the discrete element method. The cell cut-based method, the Voronoi-based method and cell centre-based method explicitly define geometry of propagating cracks in fractured regions. The proposed visualization methods were implemented in the grid visualization e–service VizLitG and the distributed visualization software VisPartDEM. Partial data set transfer from the grid storage element was developed to reduce the data transfer and visualization time. In the third Chapter, the results of experimental research are presented. The performance of e-service VizLitG was evaluated in a geographically distributed grid. Different types of software were employed for data transfer in order to present the quantitative comparison. The performance of the developed visualization methods was investigated. The quantitative comparison of the execution time of local Voronoi-based method and that of global Voronoi diagrams generated by Voro++ library was presented. The accuracy of the developed methods was evaluated by computing the total depth of cuts made in particles by the extracted crack surfaces. The present research confirmed that the proposed visualization methods and the developed distributed software were capable of visualizing crack propagation modelled by the discrete element method in monodispersed particulate media.