Classical inverse and metamodel approach in identification of nanomaterials properties

• Autorzy: Kopernik M. , Stanisławczyk A.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie klasycznej analizy odwrotnej i metamodelu do identyfikacji własności nanomateriałów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

System of nanocoatings deposited by using physical vapour deposition is planned to be applied in the artificial heart prosthesis. Material models of these coatings are necessary for numerical design of these products and are crucial for accuracy of simulations. The objective of the present work is identification of parameters of material model of nanocoatings using two methods based on the nanoindentation test data: the classical inverse analysis and the artificial neural network metamodel. The inverse analysis is preceded by the development of FEM model dedicated to the nanoindentation test for the system of nanocoatings. The parameters of individual coating of the system are evaluated. In the second approach to decrease the computation cost, the metamodel is suggested. The metamodelling method is based on the artificial neural network technique. The achieved results confirm the usefulness of the presented solution in the identification of the material properties for the system of nanocoatings.

PL

System powłok, które są napylane za pomocą fizycznego osadzania z fazy gazowej, zaplanowano zastosować w sztucznej protezie serca. Znajomość modeli materiału omawianych powłok jest niezbędna do projektowania numerycznego tego produktu i kluczowa dla przeprowadzenia dokładnych symulacji. Celem niniejszej pracy jest identyfikacja parametrów modeli materiałów nanopowłok opierając się na wynikach z próby wciskania wgłębnika i stosując dwie metody numeryczne: klasyczną analizę odwrotną i metamodel zbudowany z użyciem sztucznych sieci neuronowych. Klasyczna analiza odwrotna została poprzedzona opracowaniem modelu elementów skończonych próby wciskania wgłębnika dla układu nanopowłok. Parametry modelu materiału każdej z powłok zostały określone. W drugim podejściu, aby obniżyć koszt obliczeniowy, zaproponowano wprowadzenie metamodelu. Tworzenie metamodelu polega na wprowadzeniu do rozwiązania sztucznych sieci neuronowych. Osiągnięte wyniki potwierdzają użyteczność zaprezentowanego rozwiązania do identyfikacji własności materiałów dla układu nanopowłok.

Słowa kluczowe

EN

inverse analysis; metamodel; artificial neural network (ANN); multilayer perceptron neural network (MLP); finite element method (FEM)

PL

analiza odwrotna; metamodel; sieci neuronowe; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, no 3
• Strony: 77--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kopernik M.

autor

Stanisławczyk A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Oliver C., Pharr G.M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiment, J. Mater. Res., Vol. 7, 1992, pp. 1564–1583.
• [2] Kopernik M., Pietrzyk M.: 2D numerical simulation of elasto-plastic deformation of thin hard coating systems in deep nanoindentation test with sharp indenter, Arch. Metall. Mater, Vol. 52, 2007, pp. 299–310.
• [3] Nelder J.A., Mead R.A.: A simplex method for function minimization, Comput. J., Vol. 7, 1965, pp. 308–313.
• [4] Kopernik M., Spychalski M., Kurzydłowski K.J., Pietrzyk M.: Numerical identification of material model for C-Mn steel using micro-indentation test, Mater. Sci. Technol., Vol. 24, No. 3, 2008, pp. 369–375.
• [5] Koker R., Altincock N., Demir A.: Neural network based prediction of mechanical properties of particulate reinforced metal matrix composites using various training algorithms, Materials and Design, Vol. 28, 2007, pp. 616–627.
• [6] Beake B.D., Smith J.F., Gray A., Fox-Rabinovich G.S., Veldhuis S.C., Endrino J.L.: Investigating the correlation between nano-impact fracture resistance and hardness/modulus ratio from nanoindentation at 25–500 °C and the fracture resistance and lifetime of cutting tools with Ti1−xAlxN (x = 0.5 and 0.67) PVD coatings in milling operations, Surface and Coatings, Vol. 201, 2007, pp. 4585–4593.
• [7] Beake B.D., Ranganathan N.: An investigation of the nanoindentation and nano/micro-tribological behaviour of monolayer, bilayer and trilayer coatings on cemented carbide, Mat. Sci. Eng., Vol. 23, 2006, pp. 46–51.
• [8] Lackner J.M.: Industrially – scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at room temperature, Orekop, Kraków, 2005.
• [9] Fisher-Cripps A.: Nanoindentation, Springer-Verlag, New York, 2002.
• [10] Albrecht H.-J., Hannach T., Häse A., Juritza A., Müller K., Müller W.H.: Nanoindentation: a suitable tool to determine local mechanical properties in microelectronic packages and materials, Arch. Appl. Mech., Vol. 74, 2005, pp. 728–738.
• [11] Chollacoop N., Dao M., Suresh S.: Depth-sensing instrumented indentation with dual sharp indenters, Acta Mater., Vol. 51, 2003, pp. 3713–3729.
• [12] Kopernik M., Szeliga D.: Modelling of nanomaterials – sensitivity analysis to determine the nanoindentation test parameters, Computer Methods in Materials Science, Vol. 7, No. 2, 2007, pp. 255–261.
• [13] Cai X., Bangert H.: Finite-element analysis of the interface influence on hardness measurements films, Surf. Coat. Technol., Vol. 81, 1996, pp. 240–255.
• [14] Franco A.R., Pintaúde G., Sinatora A., Pinedo C.E., Tschiptschin A.P.: The use of a Vickers indenter in depth sensing indentation for measuring elastic modulus and Vickers hardness, Materials Research, Vol. 7, 2004, pp. 483–491.
• [15] Wang H.F., Bangert H.: Three-dimensional finite element simulation of Vickers indentation on coated systems, Mat. Sci. Eng., Vol. 163, 1993, pp. 43–50.
• [16] Bouzakis K.D., Anastopoulos J., Asimakopoulos A., Michailidis N., Erkens G.: Wear development of cemented carbide inserts coated with mono and multilayer PVD films, considering their strength properties, adhesion and the cutting loads, Surf. Coat. Technol., Vol. 201, 2006, pp. 4395–4400.
• [17] Jindal P.C., Santhanam A.T., Schleinkofer U., Shuster A.F.: Performance of PVD TiN, TiCN, and TiAlN coated, cemented carbide tools in turning, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., Vol. 17, 1999, pp. 163–170.
• [18] Su Y.L., Yao S.H., Wei C.S., Wu C.T.: Tension and fatigue behaviour of a PVD TiN-coated material, Thin Solid Films, Vol. 315, 1998, pp. 153–158.
• [19] Szeliga D., Pietrzyk M.: Testing of the inverse software for identification of rheological models of materials subjected to plastic deformation, Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. 7, No. 1, 2007, pp. 35–52.