Efficient cellular automata model for prediction of damage of hot forging tools due to thermal fatigue

• Autorzy: Nowak P. , Rauch Ł.

Warianty tytułu

PL

Efektywny model automatów komórkowych przewidujący zniszczenie zmęczeniowe narzędzi do kucia na gorąco

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

W pracy przedstawiono implementację modelu automatów komórkowych (ang. Cellular Automata - CA) przewidującego rozwój pękania zmęczeniowego w narzędziach do kucia na gorą¬co. Reguły przejścia opracowano na bazie dostępnych informacji dotyczących inicjacji i propagacji pęknięć. Współczynniki modelu wyznaczono na podstawie prób zmęczeniowych przeprowadzo¬nych na symulatorze Gleeble 3800. Model CA połączono z pro¬gramem MES, który symuluje naprężenia podczas kucia. To wieloskalowe podejście jest bardzo wymagające obliczeniowo. Dlatego efektywna równoległa implementacja tego modelu była głównym celem pracy. Model pękania zmęczeniowego zrealizowano w technice GPGPU, co ułatwiło implementację algorytmów za pomocą udostępnienia API (z j. ang. Application Programming Interface) dostarczającego funkcje z biblioteki OpenGL. Platformę wspoma-gającą obliczenia CA podzielono na części biblioteczną i aplika¬cyjną. Biblioteka dostarcza API do obsługi jądra programu w technologii OpenGL dedykowanego na akceleratory oblicze¬niowe CPU i GPU. Aplikacyjna część wykorzystuje API dostar¬czone przez bibliotekę i jej zadaniem jest przekazanie i zarządza¬nie parametrami wejściowymi do obliczeń. Zadaniem aplikacji jest również stworzenie wejściowej przestrzeni automatów ko¬mórkowych, wczytanie i ustawienie wartości wewnętrznych komórek CA oraz przekazanie ich do obliczeń na akceleratorach. W pracy opisano implementację modelu oraz przedstawiono przykładowy wynik symulacji pęknięć w matrycy kuźniczej. Dzięki zrównolegleniu algorytmu i wykorzystaniu czterech kart GPU uzyskano wysokie przyspieszenie obliczeń przy dobrej skalowalności.

Słowa kluczowe

EN

cellular automata; forging tools; fatigue; distributed computing

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 14, No. 4
• Strony: 197--205
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Nowak P.

• AGH- University of Science and Technology, Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Rauch Ł.

• AGH- University of Science and Technology, Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Bayer, R.G., 2004, Mechanical Wear Fundamentals and Test¬ing, Marcel Dekker Inc., New York.
• Behrens, B.-A., Schäfer, F., 2009, Service life predictions for hot bulk forming tools, Steel Research International, 80, 887-891.
• Behrens, B.-A., Bouguech, A., Hadifi, T., Klassen, A., 2012, Numerical and experimental investigations on the ser¬vice life estimation for hot-forging dies, Key Engineer¬ing Materials, 504-506, 163-168.
• Gurson, A.L., 1977, Continuum theory of ductile rapture by void nucleation and growth, Part 1. Yield criteria and flow rules for porous ductile media, Trans ASME, Jour¬nal of Engineering Materials and Technology, 99, 2-15.
• Gronostajski, Z., Hawryluk, M., Krawczyk, J., Marciniak, M., 2013, Numerical modelling of the thermal fatigue of steel WCLV used for hot forging dies, Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability, 15, 129-133.
• Gronostajski, Z., Kaszuba, M., Hawryluk, M., Zwierzchowski, M., 2014, A review of the degradation mechanisms of the hot forging tools, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 14, 528-539.
• Kim, Y.J., Choi, C.H., 2009, A study on life estimation of hot forging die, International Journal of Precision Engineer¬ing and Manufacturing, 10, 105-113.
• Lavtar, L., Muhic, T., Kugler. G, Tercelj, M., 2011, Analysis of the main types of damage on a pair of industrial dies for hot forging car steering mechanisms, Engineering Fail¬ure Analysis, 18, 1143-1152. Nowak, K, 2009, Micro- versus macro-modelling of creep damage, Computer Methods in Materials Science, 9, 249-255.
• Perzyński, K, Sitko, M., Madej, L., 2014, Numerical modelling of fracture based on coupled cellular automata finite el¬ement approach, Proc. 11th Int. Conf. on Cellular Au¬tomata for Research and Industry, ACRI2014, Krakow, 22-25.
• Rauch L., Madej L., 2010, Application of the automatic image processing in modelling of the deformation mechanisms based on the digital representation of microstructure, In¬ternational Journal for Multiscale Computational Engi¬neering, 8(3), 1-14.
• Rauch, L., Madej, L., Spytkowski, P., Golab, R., 2014, Devel¬opment of the cellular automata framework dedicated for metallic materials microstructure evolution models, Archives of Civil and Mechanical Engineering, in print.
• Shibutani, Y., 1999, Mesoscopic dynamics on dislocation pat¬terning in fatigued material by Cellular Automata, Mate¬rials Science Research International, 5, 258-263.
• Shterenlikht, A., 2003, 3D CAFE modeling of transitional duc¬tile - brittle fracture in steels, PhD Thesis, The Universi¬ty of Sheffield.
• Spytkowski, P., Klimek T., Rauch L., Madej L., 2009, Imple¬mentation of cellular automata framework dedicated to digital material representation, Computer Methods in Materials Science, 9 (2), 283-288.
• Tercelj, M., Panjan, P., Urankar, I., Fajfar, P., Turk, R., 2006, A newly designed laboratory hot forging test for evalua¬tion of coated tool wear resistance, Surface Coating Technology, 200, 3594-3604.