Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium

A parallel algorithm of a numerical solution of a stationary problem of the elasticity theory about the interaction of harmonic SH-waves with a system of non-circular cracks-cuts in an infinite elastic medium, is offered. The boundary-value problem is reduced to a system of singular integro-differen...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2025
Hauptverfasser: Nazarenko, A.M., Panchenko, B.E., Pilipenko, S.A.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: PROBLEMS IN PROGRAMMING 2025
Schlagworte:
Online Zugang:https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/697
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Problems in programming
Завантажити файл: Pdf

Institution

Problems in programming
id pp_isofts_kiev_ua-article-697
record_format ojs
resource_txt_mv ppisoftskievua/51/e7de774b7f36c1843c53c493cac93c51.pdf
spelling pp_isofts_kiev_ua-article-6972025-04-09T22:22:32Z Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium Схема параллельного решения задачи дифракции SH-волн на системе некруговых трещин в бесконечной упругой среде Nazarenko, A.M. Panchenko, B.E. Pilipenko, S.A. UDC 004.652, 539.3 УДК 004.652, 539.3 A parallel algorithm of a numerical solution of a stationary problem of the elasticity theory about the interaction of harmonic SH-waves with a system of non-circular cracks-cuts in an infinite elastic medium, is offered. The boundary-value problem is reduced to a system of singular integro-differential equations.Prombles in programming 2014; 2-3: 82-87 Предложен параллельный алгоритм численного решения стационарной задачи теории упругости о взаимодействии гармонических SH-волн с системой некруговых трещин-разрезов в бесконечной упругой среде. Краевая задача сведена к системе сингулярных интегро-дифференциальных уравнений.Prombles in programming 2014; 2-3: 82-87 PROBLEMS IN PROGRAMMING ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ 2025-04-09 Article Article application/pdf https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/697 PROBLEMS IN PROGRAMMING; No 2-3 (2014); 82-87 ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ; No 2-3 (2014); 82-87 ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ; No 2-3 (2014); 82-87 1727-4907 ru https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/697/749 Copyright (c) 2025 PROBLEMS IN PROGRAMMING
institution Problems in programming
baseUrl_str https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/oai
datestamp_date 2025-04-09T22:22:32Z
collection OJS
language Russian
topic
UDC 004.652
539.3
spellingShingle
UDC 004.652
539.3
Nazarenko, A.M.
Panchenko, B.E.
Pilipenko, S.A.
Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
topic_facet
UDC 004.652
539.3

УДК 004.652
539.3
format Article
author Nazarenko, A.M.
Panchenko, B.E.
Pilipenko, S.A.
author_facet Nazarenko, A.M.
Panchenko, B.E.
Pilipenko, S.A.
author_sort Nazarenko, A.M.
title Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_short Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_full Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_fullStr Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_full_unstemmed Scheme of a parallel solution of the problem of difraction of SH-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_sort scheme of a parallel solution of the problem of difraction of sh-waves on a system of non-circular cracks in an infinite elastic medium
title_alt Схема параллельного решения задачи дифракции SH-волн на системе некруговых трещин в бесконечной упругой среде
description A parallel algorithm of a numerical solution of a stationary problem of the elasticity theory about the interaction of harmonic SH-waves with a system of non-circular cracks-cuts in an infinite elastic medium, is offered. The boundary-value problem is reduced to a system of singular integro-differential equations.Prombles in programming 2014; 2-3: 82-87
publisher PROBLEMS IN PROGRAMMING
publishDate 2025
url https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/697
work_keys_str_mv AT nazarenkoam schemeofaparallelsolutionoftheproblemofdifractionofshwavesonasystemofnoncircularcracksinaninfiniteelasticmedium
AT panchenkobe schemeofaparallelsolutionoftheproblemofdifractionofshwavesonasystemofnoncircularcracksinaninfiniteelasticmedium
AT pilipenkosa schemeofaparallelsolutionoftheproblemofdifractionofshwavesonasystemofnoncircularcracksinaninfiniteelasticmedium
AT nazarenkoam shemaparallelʹnogorešeniâzadačidifrakciishvolnnasistemenekrugovyhtreŝinvbeskonečnojuprugojsrede
AT panchenkobe shemaparallelʹnogorešeniâzadačidifrakciishvolnnasistemenekrugovyhtreŝinvbeskonečnojuprugojsrede
AT pilipenkosa shemaparallelʹnogorešeniâzadačidifrakciishvolnnasistemenekrugovyhtreŝinvbeskonečnojuprugojsrede
first_indexed 2025-07-17T10:08:32Z
last_indexed 2025-07-17T10:08:32Z
_version_ 1850411360999964672
fulltext Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі © А.М. Назаренко, Б.Е. Панченко, С.А. Пилипенко, 2014 82 ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2014. № 2–3. Спеціальний випуск УДК 004.652, 539.3 СХЕМА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ SH-ВОЛН НА СИСТЕМЕ НЕКРУГОВЫХ ТРЕЩИН В БЕСКОНЕЧНОЙ УПРУГОЙ СРЕДЕ А.М. Назаренко, Б.Е. Панченко, С.А. Пилипенко Сумский государственный университет, Сумы, ул. Р. Корсакова, 2. Тел.: 0542 68 7710, e-mail: svetlana.morgylka@gmail.com Институт кибернетики имени В.М. Глушкова, Киев, проспект Академика Глушкова, 40. Тел.: (044) 526 3630, e-mail: pr-bpb@ukr.net Предложен параллельный алгоритм численного решения стационарной задачи теории упругости о взаимодействии гармонических SH-волн с системой некруговых трещин-разрезов в бесконечной упругой среде. Краевая задача сведена к системе сингулярных ин- тегро-дифференциальных уравнений. A parallel algorithm of a numerical solution of a stationary problem of the elasticity theory about the interaction of harmonic SH-waves with a system of non-circular cracks-cuts in an infinite elastic medium, is offered. The boundary-value problem is reduced to a system of singular integro-differential equations. Введение Проблемы взаимодействия волн напряжений с различного рода дефектами в упругих средах имеют большое значение в теории разрушения, дефектоскопии и в вопросах прогнозирования ресурса конструкций. Поэтому необходимо учитывать инерционный эффект при расчете конструкций и сооружений с трещинами, уметь определять зависимость коэффициента интенсивности напряжений от частоты колебаний на системах стационарных трещин под действием гармонических нагрузок. Из решений задач динамической механики разрушения в случае трещин продольного и поперечного сдвигов, нормального отрыва можно сделать важнейшие качественные выводы о процессах, предшествующих хрупкому разрушению при динамическом нагружении. Большинство имеющихся в литературе исследований относятся к рассмотрению волновых полей в окрестности прямых и круговых трещин. Однако, как показали исследования, динамический коэффициент интенсивности напряжений существенно зависит от кривизны де- фекта. Поэтому актуальной является разработка методов решения динамических задач для бесконечных изо- тропных сред с системами криволинейных трещин. Напряженно-деформированное состояние сред с усложненными свойствами может быть высокоэффек- тивно моделировано вычислительными комплексами в сочетании с программными системами. Хотя практиче- ски не изучен вопрос автоматизированного синтеза приложений, которые могут быть перенастроенными в за- висимости от изменения конфигурации механических систем. Большинство исследований посвящено развитию метода конечных элементов [1]. Существуют и другие подходы, которые существенно экономят вычислитель- ные ресурсы и повышают точность вычислений. Программные средства (CASE-средства) [2] позволяют синте- зировать и сопровождать приложения, которые моделируют динамическое поведение сложных механических систем. В данной работе будут анализироваться именно эти методики решения задач механики сплошных сред. Анализ конструкций, которые содержат значительное число неоднородностей и работающих под воздей- ствием динамических нагрузок, происходит с исследованием взаимодействия волн перемещений и напряжений в упругой среде с трещинами-разрезами. Очень важным вопросом является изучение дифракции упругих волн на системах произвольных неоднородностей. Эффективные параллельные алгоритмы, в основе которых лежат обоснованные аналитические методы [3], имеют особое значение. Для решения антиплоских задач теории ди- фракции [4, 5] большой эффективностью обладает метод интегральных уравнений [6–9]. Преимущество метода заключаются в сокращении числа пространственных переменных, достаточно высокой скорости сходимости и возможности применения различных эффективных численных методов решения [6]. Также метод обладает воз- можностями при построении параллельных вычислительных схем [8, 9]. 1. Постановка задачи Рассмотрим упругое изотропное пространство, ослабленное системой туннельных вдоль оси OZ криво- линейных разрезов ),1( KjL j  (рис. 1), где jL – простая разомкнутая дуга Ляпунова с началом в точке ja и концом в точке jb (предполагаем, что 0 jL ). Считаем, что берега разрезов свободны от сил, а перемещения при переходе через jLL  терпят раз- рыв. mailto:svetlana.morgylka@gmail.com%3E mailto:pr-bpb@ukr.net Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі 83 Рис. 1 Пусть из бесконечности излучается монохроматическая волна сдвига, нормаль к фронту которой состав- ляет угол  с осью OX (зависимость от времени выражается множителем tie  ). )sincos( 0 2  yxi eW   , const , 2 2 c    . (1) Здесь  – частота колебаний, 2c – скорость распространения поперечной волны. В результате взаимодействия падающей 0W волны с разрезами возникает рассеянная волна перемеще- ний 1W , которая удовлетворяет уравнению антиплоской деформации [10]. ,01 2 21  WW  2 2 2 2 yx       . (2) Для механики разрушения определяющее значение имеет асимптотическое распределение напряжений в окрестности вершин дефектов [4]. Ненулевые компоненты тензора напряжений 3231,  представляют собой касательные напряжений в плоскости поперечного сечения цилиндров. Они связаны с перемещением 10 WWW  формулами (  – модуль сдвига) x W     31 , y W     32 , z W i     23231 , iyxz  . (3) Касательное напряжение n , действующее на L в точке Li   со стороны положительной нормали, равно   32313231 Imcossin   iei n  , (4) где  – угол между положительной касательной к L в точке  и осью OX . Решение антиплоской задачи динамической теории упругости сводится к определению функции ),(1 yxW – решения уравнения Гельмгольца (2) в плоскости с системой трещин-разрезов при выполнении до- полнительных условий типа Зоммерфельда излучения на бесконечности [6]. 2. Метод решения Следуя [10], запишем функцию ),(1 yxW , характеризующую рассеянную разрезами волну перемещений в области D , следующим образом:               drH z drH z sfyxW L )()()( 4 1 ),( 2 )1( 02 )1( 01 ,  zr . (5) Здесь )()1( xHn – функция Ханкеля первого рода n -го порядка; )(sf – неизвестная функция, удовлетворяющая на L условию Гельдера. Интегральное – представление (5) автоматически удовлетворяет уравнению Гельмгольца (2) в области D и условиям излучения на бесконечности. При переходе через L оно обеспечивает скачок перемещений (   )(111 sfWWW   ) и непрерывность напряжений (   0  nnn  ). Остается выполнить граничное условие на L :   010 0 0     WW n n  , (6) Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі 84 которое перепишем в виде [9] 000              z W e z W e ii  . (7) Будем предполагать также, что скачки перемещений на концах разрезов jL равны нулю, т. е.     0 jj bfaf , kj ,1 . (8) В интегральной форме (8) можно записать в виде   0)(   dssfsdf LL . (9) Воспользуемся известными соотношениями [10]: )( 4 )( )1( 2 2 2 )1( 02 2 rHerH z i       , )( 4 )( )1( 2 2 2 )1( 02 2 rHerH z i       , (10) )( 4 )( )1( 2 2 )1( 0 2 rHrH zz       ,  irez  . Поведение в нуле (x→0) функций Ханкеля нулевого и второго порядков характеризуется асимптотиче- скими формулами: )(ln 2 )( 0 )1( 0 xHx i xH   , )( 4 )( 22 )1( 2 xH xi xH   , (11) где )(0 xH и )(2 xH – непрерывны в точке 0x . Подстановка интегрального представления (5) в выражение, которое стоит в левой части граничного условия (7), с учетом (10), (11) дает:               L LL i L iii dsrHrHsf rdssf iz df i e z df i e z W e z W e .))()cos()()2)(cos(( 8 ln)cos()( 44 1 4 1 200220 2 2 0 2 211 0000        (12) Здесь использованы формулы интегрирования по частям для гиперсингулярных интегралов [12] при дополни- тельных условиях (8). Привлечение формул Сохоцкого–Племеля [11] для вычисления предельных интегралов типа Коши, воз- никающих при удовлетворении граничного условия (7) с учетом соотношений (1), (12), сводит рассматривае- мую краевую задачу к сингулярному интегро-дифференциальному уравнению относительно неизвестной функ- ции )(sf :              dsrsf i df e i LL i 00 2 2 0 lncos)( 4 Re 2 1 0      (13) ,0 00  i er )sincos( 020 002)sin()(    i esT . Для однозначной разрешимости интегро-дифференциального уравнения (13) к нему следует присовоку- пить дополнительное условие (3). Представим контур L в параметрической форме. Для этого на каждом из контуров ),1( KjL j  выбира- ем локальную систему координат, учитывая параллельный перенос и поворот осей координат. Учитывая это, на контуре jL будем считать .)1(,)1(,1,1),(),( 000 jj ba   (14)        ).()(cos2cos)( 8 002000220 2 2 sTdsrHrHsf L     Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі 85 Умножим уравнение (13) на )( 0s и выделим в нем ядро типа Коши и логарифмическое ядро следую- щим образом: , 1'1' 00 0 00 0                    (15) Здесь, используя правило Лопиталя, находим , )('2 )(''1' lim 0 0 00 0 0                 (16)   .lnlnlnlim 00000 0     sss Теперь интеграл с логарифмическим ядром интегрируем по частям с учетом дополнительного условия (8):    ).(1lnln)( 0 1 1 00 1 1  dfdf    (17) Параметрическая форма интегрального уравнения приобретает вид:                    .)(lnRe 2 Re )( 4 Re 8 1lnRe 4 )( 2 1 0000002 )1( 00 1 1 2 0 2 2 02 )1( 2 2 0 2 2 0 1 1 000 1 1 2 2 0 0 sTdf i rH i rHe df i d f i i                                                 (18) Предложенная процедура регуляризации интеграла с логарифмическим ядром позволяет свести задачу к сингулярному интегральному уравнению относительно функции )(f  . Ядра интегралов, соответствующих функции )(f , непрерывны. Единственное решение полученного сингулярного интегро-дифференциального уравнения (18) при наличии дополнительного условия (8) следует искать в классе функций, имеющих корневую особенность на концах разрезов [11]. Таким образом, полагаем          cos,)()(, 1 1 2       dfff . (19) 3. Дискретизация задачи Представим неизвестную плотность )( интегрального уравнения (18) как совокупность функций )( j j  , определенных на контурах .,1, KjL j  Численная реализация интегрального уравнения (18) прово- дится методом конечных квадратур [6]. Уравнение, соответствующее контуру pL , удовлетворяется в узлах Че- бышева второго рода )1,1(  p p m nm n m  и сводится к системе алгебраических уравнений относительно значений функции )(j в узлах Чебышева первого рода ),1( 12 j j k nk n k     , где jn – число точек разби- ения контура jL . Для интеграла типа Коши используем квадратурную формулу .cos,cos, )( )(1 )( 1 1 1 2 kkmm mk kj n kj m j j n d               (19) ).lnln(lnln 000000   ssss Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі 86 К интегралу, содержащему регулярное ядро ),( 0 D и имеющему корневую особенность, применяем квадратурную формулу Гаусса      jn k kjkm j m j D n dD 1 1 1 2 )(),(),( 1 )(      . (20) Применительно к дополнительному условию (9) имеем .0)( 1   jn k kj  (21) Интерполяционный многочлен Лагранжа для функции )(jf имеет вид [6]:     1 1`11 . sincos )( 2 )()( jj n l k n k kj j j l ll n dff    (22) Система линейных алгебраических уравнений относительно функций Kjj ,1,  приобретает вид: ,0)(,)( 11    jj n k kj j m n k kj j mk NA  (23)     , sincos2 sin 8 1lnRe 4 1 2 1 1 11 2 2 2 2                  jl n j vk j n v vmv mkmkmm mkj j mk l ll n B iin A                   .)sin(,lnRe 2 Re 4 Re )sincos( 2 2 )1( 022 2 2 )1( 2 2                mmi mmm j mmm mm m m m m vmmv esN i H i HB                 Таким образом, при численной реализации системы интегральных уравнений (13), (9) задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений (23) с KnnnN  ...21 неизвестными. 4. Схема вычислений Проведена начальная фаза параметрического исследования описанной задачи. Для исследования сходи- мости построенного алгоритма рассмотрен случай нормального падения волны сдвига [8] на систему, состоя- щую из эллиптических или ромбических трещин, поочередно расположенных в упругом пространстве на оди- наковом расстоянии один от другого и симметрично ориентированных вдоль оси X (рис. 2). Однако число тре- щин справа и слева не является обязательно равным ( KT LL  ) Рис. 2 Таким образом, задача сведена к системе сингулярных интегро-дифференциальных уравнений (СИУ), которые решаются численно. Элементы матрицы системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к ко- торой, в конечном итоге, сводятся система СИУ, являются результатом дискретизации контуров. Очевидно, что размер матрицы пропорционален числу трещин. Применим распараллеливание алгоритма, в котором каждый элемент матрицы определяется координатами узлов дискретизации. Как показано в [8, 9], данный метод в вычислительном смысле сводится к обходу каждого контура по Паралельне програмування. Розподілені системи і мережі 87 точкам коллокации внеинтегральной переменной 0k и одновременному же обходу каждого контура по анало- гичным либо иным узлам переменной интегрирования k . Параллельно-конвейерная схема вычислений построена аналогично [9]. Тут также вычисления имеют следующие этапы: синтез массивов исходных данных, синтез матрицы СЛАУ, решение СЛАУ методом Гаусса, синтез массивов итоговых решений. Первый, второй и четвертый этапы макроконвейера не требуют пересылок данных, что означает независимость вычислений. На третьем этапе для решения СЛАУ существует оптималь- ное число процессов, определяемое спецификой матрицы. Это означает, что для 1, 2 и 4 этапов алгоритма оп- тимальным является число процессов, соответствующее числу коэффициентов СЛАУ. В данной методике решения краевой задачи основной операцией является определение текущего рассто- яния между точками коллокации и интегрирования, заданного на множестве значений параметрических коор- динат неоднородностей. Указанное расстояние является аргументом функции Грина. И поскольку комбинации самих функций Грина и коэффициентов при них являются элементами матрицы СЛАУ, указанная процедура может быть базовой при разработке приложения. Как показано в [8, 9], алгоритм хорошо масштабируется по вычислительным узлам. Вычислительный процесс решения СЛАУ распараллеливается согласно [9, 13]. Параллельное вычисле- ние итоговых искомых характеристик осуществляется путем подстановки массивов значений неизвестных функций )( pkf  в интегральные представления решений аналогично процедурам формирования матрицы СЛАУ. Для решения СЛАУ эффективнее использовать построчное распараллеливание, когда пересылки и вы- числения находятся в балансе. В ходе начальной фазы численной реализации вычислялись безразмерные коэффициенты интенсивности на продолжении трещин. Точность вычислений проверялась путем сравнения результатов при различных зна- чениях N. Проводилось также сравнение полученных результатов с результатами, приведенными в [10] для случая одиночной трещины. Совпадение результатов показало хорошую достоверность алгоритма. Численное исследование показало, что алгоритм имеет высокую скорость сходимости. Точность вычис- лений до 10 -10 достигается уже при 200 точках коллокации каждого контура. Сходимость алгоритма также не зависит от числа трещин. Обусловленность матриц при этом проверялась на основании алгоритма, описанного в [13]. Выводы В задаче дифракции SH-волн на системе криволинейных трещин-разрезов параллельные алгоритмы поз- воляют значительно сократить время вычислений и более детально проанализировать характеристики волново- го поля. Сочетание метода интегральных уравнений, который снижает на единицу размерность задачи, и значи- тельная экономия времени вычислений за счет распараллеливания вычислительных процедур приводит к суще- ственному увеличению эффективности предложенного алгоритма расчета неизвестных плотностей интеграль- ных уравнений. Волновые характеристики ближнего и дальнего полей выражаются через указанными плотнос- тями. 1. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных кон- струкций. – М: Изд. АСВ (Ассоциации строительных ВУЗов), 2000, – 152 с. 2. Колянов Г.Н. CASE. Структурный системный анализ (автоматизация и применение). – М: «Лори», 1996. – 360 c. 3. Вертгейм И.И., Терпугов В.Н. Параллельные технологии вычислений в механике сплошных сред и МДТТ: Учебное пособие. – Пермь: ПГУ, 2007. – 84 с. 4. Гузь А.Н., Кубенко В.Д., Черевко М.А. Дифракция упругих волн. – Киев: Наук. думка, 1978. – 307 с. 5. Селезов И.Т., Кривонос Ю.Г., Яковлев В.В. Рассеяние волн локальными неоднородностями в сплошных средах. – Киев: Наук. думка, 1985. – 136 с. 6. Панасюк В.В., Саврук М.П., Назарчук З.Т. Метод сингулярных интегральных уравнений в двумерных задачах дифракции. – Киев: Наук. думка, 1984. – 344 с. 7. Фильштинский Л.А. Дифракция упругих волн на трещинах, отверстиях, включениях в изотропной среде // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. – 1991. – № 4. – С. 119–127. 8. Назаренко А.М., Панченко Б.Е. Схема параллельных вычислений в задачах дифракции волн сдвига на системе отверстий в бесконеч- ной упругой среде // Проблеми програмування. – 2010. – № 2–3. – С. 604–610. 9. Панченко Б.Е., Назаренко А.М., Каркасный анализ предметной области: стационарные динамические задачи теории упругости для изотропных сред с произвольными неоднородностями // Кибернетика и системный анализ. – 2013. – № 1. – C. 172–187. 10. Фильштинский Л.А. Динамическая задача теории упругости для области с криволинейными разрезами (деформация продольного сдвига). – Докл. АН СССР, 1977. – № 6. – C. 1327–1330. 11. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. – М.: Наука, 1968. – 512 с. 12. Белоцерковский С.М., Лифанов И.К. Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях. – М: Наука, 1985. – 256 с. 13. Химич А.М., Полянко В.В. Эффективность двумерных блочно-цикличных параллельных алгоритмов // Проблеми програмування. – 2008. – № 3. – С. 145–149.