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

Abstract

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).