Информационные технологии в решении прикладных задач механики

Механика, являющаяся важнейшим разделом естествознания, играет также ведущую роль в разработке теоретической базы инженерного дела, привлекая для решения поставленных задач методы физического исследования, математического, компьютерного анализа и моделирования. Последние при использовании высокопроизводительных ЭВМ позволяют значительно сократить время и снизить экономические затраты на научные исследования. Развитие информационных технологий, рост вычислительных ресурсов, появление специализированной аппаратуры в корне изменило представления о решении математических задач, и математическое и компьютерное моделирование стало ведущим инструментом механики.
Исследования, выполняемые на кафедре теоретической и прикладной механики (ТПМ) и в лаборатории прикладной механики механико-математического факультета БГУ, в настоящее время существенным образом ориентированы на использование возможностей и средств современных информационных технологий: предложена концепция, и на их базе создаются специализированные автоматизированные системы и комплексы, предназначенные как для проведения научных исследований, так и для решения прикладных задач.
Работы по механике контактного взаимодействия, выполняемые в БГУ, нацелены на изучение широкого спектра объектов: фундаментов и оснований, машин и механизмов, геомеханики и механики подземных сооружений, а также био- и наномеханики. При проведении исследований используются современные программные пакеты: ANSYS, Nastran, Pro/Mechanica, ADAMS и др. Спектр изысканий весьма широк. Среди целей модельных исследований — статический и динамический анализ конструкций с учетом геометрической и физической нелинейности, ползучести и пластичности, линейной и нелинейной устойчивости, стационарных и нестационарных процессов теплофизики, гидро- и газодинамики, а также контактные задачи о взаимодействии различных сплошных сред, например взаимодействие жидкости с конструкциями.
Сотрудниками кафедры и лаборатории созданы специализированные автоматизированные системы для решения широкого класса теоретических и практических задач. Разработки успешно внедряются на предприятиях Беларуси, Российской Федерации и стран дальнего зарубежья.
Примером служат создаваемые для горнодобывающей отрасли комплексы, которые могут использоваться как при решении прикладных инженерных задач, так и при выполнении научных исследований. Так, например, «практическое» направление обеспечивает построение моделей объекта разработки нефтяного месторождения (анализ карт пластовых, забойных давлений, линий тока); геологическое и маркшейдерское обеспечение горных работ, автоматизированное их проектирование и др. Во втором — «научном» — направлении моделируются особенности нефтеизвлечения в пористой среде, различные геомеханические и связанные с ними природные процессы в массивах горных пород с разветвленными системами подземных сооружений и др. [1—5]. При создании комплексов разработаны теоретические основы и предложены оригинальные методы и подходы к решению прикладных задач механики деформируемого твердого тела и геомеханики, в частности, для породных массивов слоистой структуры пологого залегания.
Технологии компьютерного моделирования механики машин и механизмов находят применение не только в промышленности [6], но и в здравоохранении. Так, на кафедре ТПМ совместно с сотрудниками кафедры общей стоматологии БГМУ разрабатываются автоматизированные комплексы для биомеханики челюстно-лицевой области человека. Например, с применением универсальных систем компьютерного конструирования, инжиниринга и подготовки производства созданы комплексы автоматизированного проектирования и оптимизации конструкций зубочелюстных протезов и ортодонтических аппаратов при аномалиях и деформациях челюстно-лицевой области, обусловленных расщелинами губы и неба [7, 8].
Уже подготовлены методики конечно-элементных оценок перемещений зубов, возникающих под действием нагрузки, развиваемой ортодонтическим аппаратом для быстрого расширения верхней челюсти с четырьмя коронками и винтом HYRAX; предложена модель расчета напряженно-деформированного состояния керамических коронок, зубочелюстных мостовидных протезов и др. Специалистами кафедры ТПМ проведены вычислительные эксперименты, получены геометрические трехмерные модели, которые могут быть непосредственно использованы для создания собственных импортозамещающих технологий проектирования в стоматологии, в том числе так называемых «виртуальных лабораторий».
Последние десятилетия отмечены всплеском интереса к автоматическим манипуляторам и механизмам, управляемым ЭВМ, причем современные робототехнические комплексы имеют существенные качественные отличия от аналогичных систем XX в. Одновременно возросли и требования к механико-математическим моделям, описывающим кинематику и динамику их работы. Так, например, сегодня уже недостаточно произвести «простой» учет упругости звеньев системы, необходимо с помощью микроЭВМ осуществить «очувствление» роботов хотя бы на элементарном уровне. На кафедре ТПМ активно ведутся исследования в данной области, налажено тесное сотрудничество с отечественными и иностранными организациями и учреждениями [9].
Совместно с кафедрой математического обеспечения автоматизированных систем управления факультета прикладной математики и информатики БГУ выполняется программа по разработке теоретических основ и внедрению кластерных вычислительных платформ. Также ведется научная работа по применению спутниковых и космических технологий для создания систем моделирования и изучения связанных геомеханических, геофильтрационных и геодинамичеcких процессов в регионах интенсивного крупномасштабного освоения подземного пространства [3, 10]. Данные исследования являются примером тесного взаимодействия фундаментальных классических дисциплин, таких как механика, математика, и быстроразвивающихся современных научных направлений.