A parallelized model for coupled phase field and crystal plasticity simulation

• Autorzy: Lin M , Prahl U.

Warianty tytułu

PL

Równoległy model dla symulacji metodami sprzężonego pola faz i plastyczności kryształów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The predictive simulation of materials with strong interaction between microstructural evolution and mechanical deformation requires the coupling of two or more multi-physics models. The coupling between phase-field method and various mechanical models have drawn growing interests. Here, we propose a coupled multi-phase-field and crystal plasticity model that respects the anisotropic mechanical behavior of crystalline materials. The difference of computational complexity and solver requirements between these models presents a challenging problem for coupling and parallelization. The proposed method enables parallel computation of both models using different numerical solvers with different time discretization. Finally two demonstrative examples are given with an application to the austenite-ferrite transformation in iron-based alloys.

PL

Uzyskanie realistycznych możliwości obliczeniowych modeli materiałowych łączących rozwój mikrostruktury z odkształceniami wymaga sprzężenia dwóch lub więcej modeli fizycznych. Sprzężenie między modelem pola faz i różnymi modelami mechanicznymi jest ostatnio w obszarze zainteresowania naukowców. W pracy zaproponowano sprzężenie modelu pola wielofazowego z modelem plastyczności kryształów, który uwzględnia anizotropię zachowania się materiałów polikrystalicznych. Różnica w złożoności obliczeniowej i w wymaganiach dla solwera pomiędzy tymi modelami jest wyzwaniem dla sprzężenia i zrównoleglenie obliczeń. Zaproponowana w pracy metoda umożliwia zrównolegleni obliczeń z wykorzystaniem dwóch modeli poprzez zastosowanie solwerów numerycznych z różną dyskretyzacją czasu. Dwa przykłady będące zastosowaniem dla przemiany austenit-ferryt w stopach żelaza są podsumowaniem pracy.

Słowa kluczowe

EN

phase field; crystal plasticity; OpenMP; parallelization

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 16, No. 3
• Strony: 156--162
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Lin M

• Steel Institute, RWTH Aachen University, Germany

autor

Prahl U.

• Steel Institute, RWTH Aachen University, Germany

Bibliografia

• Arif. T. T. Qin. R. S.. 2013. A phase-field model for bainitic transformation. Computational Materials Science. 77. 230-235.
• Arif. T. T. Qin. R. S.. 2014. A Phase-Field Model for the Formation of Martensite and Bainite. Advanced Materials Research. 922.31-36.
• Bhadeshia. II. K. I). II. 2001. Worked examples in the geometry of crystals. Institute of Metals. Brookfield and VT and USA. 2nd edition.
• Cahn. .1. W. Hilliard. J. E.. 1958. Free Energy of a Nonuniform System. I. Interfacial Free Energy, The Journal of Chemical Physics. 28(2). 258.
• Diehl. M.. 2010. A spectral method using fast Fourier transform to solve elastoviscoplastic mechanical boundary value problems. Master's thesis. Technische Universitaet Muenchen. Munich.
• Eiken. J.. Bottger. B.. Steinhach. I.. 2006. Multiphase-field approach for multicomponent alloys with extrapolation scheme for numerical application. Physical Review E. 73(6).
• Eisenlohr. P.. Diehl. M.. Lebensohn. R. A.. Roters. F.. 2013. A spectral method solution to crystal elasto-viscoplasticity at finite strains. International Journal of Plasticity. 46. 37-53.
• Frigo. M. Johnson. S. (}.. 2005. The Design and Implementation of FFTW3. Proceedings of the IEEE. 93(2). 216-231.
• Kundin. J.. Pogorelov. E.. Emmerich.H.. 2015. Numerical inves¬tigation of the interaction between the martensitic transformation front and the plastic strain in austenite. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 76. 65-83.
• Kundin. J.. Raabe. D.. Emmerich. H.. 2011. A phase-field model for incoherent martensitic transformations including plastic accommodation processes in the austenite. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59(10). 2082-2102.
• Kundu. S.. Ilase. K.. Bhadeshia. H.. 2007. Crystallographic texture of stress-affected bainite. Proceedings of the Royal Society A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 463(2085). 2309-2328.
• Ma. A.. Roters. F.. Raabe. D.. 2006. On the consideration of interactions between dislocations and grain boundaries in crystal plasticity finite element modeling - Theory, experiments, and simulations. Acta Materialia. 54(8). 2181-2194.
• Prakash. A. Lebensohn. R. A.. 2009. Simulation of microme¬chanical behavior of polycrystals, finite elements versus fast Fourier transforms. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 17(6). 064010.
• Qin. R. S. Bhadeshia. II.. 2009. Phase-field model study of the effect of interface anisotropy on the crystal morphologi¬cal evolution of cubic metals. Acta Materialia. 57(7). 2210-2216.
• Roters. F.. Eisenlohr. P.. Bieler. T. R.. Raabe. D.. 2011. Crystal Plasticity Finite Element Methods, In Materials Science and Engineering. Wiley. Somerset.
• Roters. F.. Eisenlohr. P.. Hantcherli. L.. Tjahjanto. D. D.. Bieler. T. R.. Raabe, D.. 2010. Overview of constitutive laws, kinematics, homogenization and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling. Theory, experiments. applications. Acta Materialia. 58(4). 1152-1211.
• Roters. F.. Eisenlohr. P.. Kords. C.. Tjahjanto. D. D.. Diehl. M.. Raabe. D.. 2012. DAMASK, the Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit for studying crystal plasticity using an FE based or a spectral numerical solver. Procedía 11 IT AM. 3. 3-10.
• Shanthraj. P.. Eisenlohr. P.. Diehl. M.. Roters. F.. 2015. Numerically robust spectral methods for crystal plasticity simu¬lations of heterogeneous materials. International Journal of Plasticity. 66. 31-45.
• Steinbach. I.. 2009. Phase-field models in materials science. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 17(7). 073001.
• Steinbach. I. Apel. M.. 2006. Multi phase field model for solid state transformation with elastic strain. Physica D. Nonlinear Phenomena. 217(2). 153-160.
• Steinbach. I. Pezzolla. F.. 1999. A generalized field method for multiphase transformations using interface fields. Physica D, Nonlinear Phenomena. 134(4). 385-393.
• Tiaden. J.. Nestler. B.. Diepers. 11..I.. Steinbach. 1.. 1998. The multiphase-field model with an integrated concept for modelling solute diffusion. Physica D, Nonlinear Phenomena. 115(1-2). 73-86.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).