Parallel identification of voids in microstructure using BEM and bioinspired algorithm

• Autorzy: Kuś W. , Górski R.

Warianty tytułu

PL

Równoległa identyfikacja pustek w mikrostrukturze z wykorzystaniem metody elementów brzegowych oraz algorytmu inspirowanego biologicznie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The problem of identification of the size of a void in a microscale on the basis of the homogenized material parameters is studied in this work. A three-dimensional unit-cell model of a porous microstructure is modelled and analyzed by the boundary element method (BEM). The method is very accurate and for the considered problem requires discretization only the outer boundary of models. The algorithm used for identification is characterized by a hierarchical structure which allows for parallel computing on three different levels. The parallel algorithm is used for evolutionary computations. The solution of boundary value problems by the BEM and the determination of effective material properties by numerical homogenization method are also parallelized. The computation of the compliance matrix for a porous microstructure is shown. The matrix is used to formulate the objective function in identification problem in which the size of a void is searched. The scalability tests of the algorithm are performed using a server consisting of eight floating point units. As a result of using the hierarchical structure of the identification algorithm and the BEM, a significant computation speedup and the accuracy are achieved.

PL

W pracy przedstawiono zagadnienie identyfikacji rozmiaru pustki w skali mikro, na podstawie zhomogenizowanych parametrów materiałowych. Trójwymiarowy model komórki jednostkowej mikrostruktury porowatej modelowany i analizowany jest metodą elementów brzegowych (MEB). Metoda jest bardzo dokładna i dla rozważanego zadania wymaga jedynie dyskretyzacji zewnętrznego brzegu modeli. Zastosowany algorytm do identyfikacji charakteryzuje się hierarchiczną budową pozwalającą prowadzić obliczenia w sposób równoległy na trzech różnych poziomach. Wykorzystano równoległy algorytm do obliczeń ewolucyjnych. Zrównoleglono także rozwiązywanie zadań brzegowych za pomocą MEB oraz wyznaczanie zastępczych własności materiałowych metodą numerycznej homogenizacji. Pokazano sposób wyznaczania macierzy podatności mikrostruktury porowatej. Macierz jest wykorzystana do sformułowania funkcji celu w zagadnieniu identyfikacji, w którym poszukiwany jest rozmiar pustki. Przeprowadzono testy skalowalności algorytmu z użyciem serwera zawierającego osiem jednostek zmiennoprzecinkowych. Jako rezultat zastosowania algorytmu o budowie hierarchicznej oraz MEB uzyskano znaczne przyśpieszenie i dokładność obliczeń.

Słowa kluczowe

EN

parallel computing; bioinspired algorithms; identification, boundary element method; micromechanics; numerical homogenization

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 251--257
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Kuś W.

• Silesian University of Technology, Institute of Computational Mechanics and Engineering, Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Górski R.

• Silesian University of Technology, Institute of Computational Mechanics and Engineering, Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• Arújo, F.C., d’Azevedo, E.F., Gray, L.J., 2010, Boundaryelement parallel-computing algorithm for the microstructural analysis of general composites, Comput. Struct., 88, 773-784.
• Burczyński, T., Mrozek A., Górski R., Kuś, W., 2010a, Molecular statics coupled with the subregion boundary element method in multiscale analysis, Int. J. Multiscale Comput. Eng., 8, 319-331.
• Burczyński, T., Kuś, W., Brodacka, A., 2010b, Multiscale modeling of osseous tissues, J. Theor. Appl. Mech., 48, 855-870.
• Chen, X.L., Liu, Y.J., 2005, An advanced 3D boundary element method for characterizations of composite materials, Eng. Anal. Bound. Elem., 29, 513-523.
• Düster, A., Sehlhorst, H.G., Rank, E., 2012, Numerical homogenization of heterogeneous and cellular materials utilizing the finite cell method, Comput. Mech., 50, 413-431.
• Fang, Z., Yan, C., Sun, W., Shokoufandeh, A., Regli, W., 2005, Homogenization of heterogeneous tissue scaffold: A comparison of mechanics, asymptotic homogenization, and finite element approach, ABBI, 2, 17-29.
• Gao, X.W., Davies, T.G., 2002, Boundary element programming in mechanics, Cambridge University Press, Cambridge.
• Kollár, L.P., Springer, G.S., 2003, Mechanics of composite structures, Cambridge University Press, Cambridge New York.
• Kouznetsova, V., 2002, Computational homogenization for the multi-scale analysis of multi-phase materials, PhD thesis, Technishe Universiteit Eindhoven, Eindhoven.
• Kuś, W., Burczyński, T., 2008, Parallel Bioinspired Algorithms in Optimization of Structures, eds, Wyrzykowski, R., Dongarra, J., Karczewski, K., Wasniewski, J., PPAM 2007, LNCS, 4967, 1285-1292.
• Michalewicz, Z., 1996, Genetic algorithms + data structures =evolutionary algorithms. Springer-Verlag, Berlin.