Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Towards processing of multilayered metallic materials : constrained compression testing

Bajda S., Krzyzanowski M., Kwiecień M., Majta J., Lisiecki Ł., Sroka J.

Computer Methods in Materials Science

|

2016

|

Vol. 16, No. 2

76--86

EN

The complex analysis of the interface behaviour has been performed during constrained compression testing of 316L steel plates as a way towards processing of the multilayered metallic materials. The approach is based on a combination of experiments under appropriate operating conditions and computer modelling based on finite element (FE) methodology for interpretation of the test results. Multilayered metallic structure was successfully obtained using the applied constrained compression testing technique. The specially designed die and compression specimens allowed for joining of the steel plates together even at room temperatures. The performed numerical analysis using the ABAQUS/Standard FE software revealed the strain and stress localisation areas within the multilayered structure among other features that are described in the paper. The results are in agreement with experimental observations.

PL

Przeprowadzono kompleksową analizę ewolucji naprężeń i odkształceń w pobliżu granic rozdziału podczas ograniczonego ściskania płytek ze stali 3I6L w celu opracowania procesów wytwarzania wielowarstwowych materiałów metalicznych, w tym o budowie nanostrukturalnej. Przeprowadzone badania są oparte na połączeniu badań doświadczalnych w odpowiednich warunkach / modelowaniem komputerowym opartym o metodę elementów skończonych (MES) w celu interpretacji wykonywanych prób. Przeprowadzone badania pozwoliły na uzyskanie wielowarstwowej struktury metalicznej obserwowanej w przekroju poprzecznym próbek poddanych ograniczonemu ściskaniu. Specjalnie zaprojektowana matryca oraz próbki do ściskania pozwoliły na połączenie stalowych płytek nawet w temperaturze pokojowej. Przeprowadzona analiza numeryczna z wykorzystaniem oprogramowania ABAQUS/Standard ujawniła obszary lokalizacji naprężeń i odkształceń wewnątrz wielowarstwowej struktury, a także inne elementy, które zostały opisane w pracy. Wyniki analizy numerycznej są zgodne z wynikami badań doświadczalnych.

2

Modelling of transient temperature field and phase transformation change : a way for residual stress management in large size forgings

Sroka J., Talamantes-Silva J., Krzyzanowski M., Rainforth W. M.

Computer Methods in Materials Science

|

2016

|

Vol. 16, No. 2

87--96

EN

The paper is devoted to development of the modelling approach based on 3D finite-element (FE) analysis of the transient temperature fields and the thermally induced phase transformations as a way towards residual stress management in large size forgings. Heating, holding and cooling stages are under consideration and modelling of both the austenite formation and decomposition are taken into account. The thermal-mechanical FE model capable of taking into account changes in the specific volume during ferrite/austenite transformation is coupled with the relevant phase transformation model in order to allow simulation of the transient stresses due to both thermal contraction and the dilatometric effect. The model is capable of taking into account different boundary conditions for the heat transfer problem based on the available data. To improve the predictive abilities, the following two commercial FE codes, such as MSC Marc 2013.1.0 and Abaqus/Standard 6.12, are used for solving the non-steady state 3D problem of the metal expansion/contraction during consecutive heating, holding and cooling stages. Although all the mentioned process steps are considered, the model is dedicated to be used for modelling the cooling stages of large forgings and castings.

PL

W artykule przedstawiono wyniki modelowania numerycznego 3D procesów obróbki cieplnej wielkogabarytowych odkuwek o masie 300÷600 ton. W celu obliczenia niestacjonarnego pola temperatur oraz zachodzących podczas procesu nagrzewania i chłodzenia zmian w przebiegu cieplnie indukowanej przemiany fazowej wykorzystano metodę elementów skończonych (MES). Zaproponowany zestaw modeli może stanowić narzędzie do badań naprężeń własnych, powstających podczas obróbki cieplnej odkuwek charakteryzujących się dużą masą i wymiarami. W modelu uwzględniono etapy nagrzewania, wytrzymania w danej temperaturze i chłodzenia materiału. Modelowanie przemian fazowych odbywa się w osobnym, powiązanym z proponowanym modelem podprogramie, gdzie przewidywane są zmiany objętości odkuwki podczas przemian ferrytycznej i austenitycznej. Umożliwia to odpowiednią symulację powstawania naprężeń chwilowych, wynikających z cieplnego skurczu materiału. Model może uwzględniać różne warunki brzegowe w celu dostosowania do danego problemu cieplnego. W celu poprawy dokładności uzyskiwanych wyników wykorzystano komercyjne oprogramowanie MES tj. MSC Marc 2013.1.0 oraz Abaqus/Standard 6.12. To oprogramowanie zostało wykorzystane w celu rozwiązania równań nieustalonego stanu materiału, tj zmian objętości podczas kolejnych stadiów nagrzewania, wytrzymania i chłodzenia. Efekty działania zaproponowanego modelu zostały przedstawione na przykładzie wybranego etapu chłodzenia.

3

On modelling of the heat generation Turing friction stir welding using combined discrete/finite element approach

Krzyzanowski M., Rainforth W. M.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

Vol. 11, No. 1

185-189

EN

The concept of combining the latest finite element (FE) and discrete element (DE) multiscale numerical technologies for modelling of the tool/workpiece interface during high shear processing is descnbed. The potential of FE tools and techniques merged with DE based transient dynamics is highlighted. The described numerical approach combines the DE transient dynamics used for meso- level modelling with FE analysis used for macro- level simulation. The transfer processes are described by the system of diffusion and motion equations including contact detection and interaction solutions for particles integrated in time. As an example of the application, modelling of the tool/workpiece interface including heat generation during friction stir welding (FSW) is considered.

PL

W pracy opisano koncepcję wieloskalowego połączenia metod elementów skończonych (FE) i elementów dyskretnych (DE) i zastosowania tego podejścia do modelowania powierzchni styku narzędzie-materiał w procesie intensywnego ścinania. Przedstawiono korzyści jakie wynikają z połączenia możliwości obliczeniowych metody elementów skończonych w skali makro z opisem dynamiki stanów przejściowych przez metodę elementów dyskretnych w skali mezo. Procesy przepływu ciepła i masy opisane są przez układ równań dyfuzji i ruchu, włączając identyfikację powierzchni styku oraz wzajemne oddziaływanie integrowanych cząstek w czasie procesu. Jako przykład zastosowania opracowanego modelu pokazano symulację zjawisk w powierzchni styku narzędzie-materiał w procesie FSW (ang. friction stir welding).

4

Application of Combined Discrete/Finite Element Multiscale method for modelling of Mg redistribution during hot rolling of alluminium

Krzyzanowski M., Rainforth W. M.

Computer Methods in Materials Science

|

2009

|

Vol. 9, No. 2

271-276

EN

Numerical modelling of the stock surface layer formation has been carried out to support simulations of the reheating and breakdown rolling of the Al-Mg-Mn aluminium alloy AA3104 using a two-high laboratory mill. Prediction of the particulate phenomena taking place at the few microns thick surface layer is limited when the traditional Finite Element techniques are applied. Effectively, the numerical problem is a matter of discrete rather then continuum numerical analysis even assuming today?s level of understanding of physical events responsible for the behaviour of the stock/roll interface. The model of the stock/roll interface is a meso-part of a macro- finite-element model that is thermomechanically coupled. Corresponding linking of the modelling scales is based on transferring the corresponding boundary conditions from the macro model to the representative cell, considered as the meso- level model. This is a necessary stage for numerical analysis of fine mechanisms of the interface formation. The meso- scale model has the capacity to include very fine features of the interface such as roll asperities, scales, voids or a complicated profile of the scale/metal interface formed due to abrasion and adhesion to the work roll surface. The meso- model consists of a large number of deformable bodies that interact with each other. Each individual discrete element is of a general shape and size, and is discretised into finite elements to analyse deformability and diffusion. The transfer processes in the thin surface layer are described by the system of diffusion and the motion equations for particles integrated in time. The applied combined finite-discrete element method merges finite element tools and techniques with discrete element algorithms. Finite-element based analysis of continua is merged with discrete element-based transient dynamics, contact detection and contact interaction solutions. The results of the experimental examinations obtained for the laboratory samples indicated that the level of Mg, representing oxides dispersed within the near surface regions of the rolled specimen, was of an order of magnitude less than that observed in the reheated specimens. The numerical analysis indicated that, under the rolling conditions used, the redistribution in Mg content can arise mainly due to one or a few of the following reasons, namely: by removal of some of the thin oxide layer by abrasion and adhesion to the work roll surface; by intermixing of the small oxides (Mg) into the subsurface layer of a few microns depth; and by diffusion. Further analysis should be carried out to establish the predominant mechanisms of the surface layer formation and influence of the key hot rolling parameters.

PL

Opracowany został numeryczny model tworzenia się warstwy powierzchniowej w celu symulacji nagrzewania i wstępnego walcowania na gorąco w walcarce laboratoryjnej duo stopu Al-Mg-Mn (AA3104). Wyniki badań doświadczalnych wykazały, że struktura, morfologia oraz podatność warstwy przypowierzchniowej na nitkowatą korozję zależą mocno od głębokości warstwy bogatej w Mg i od redystrybucji tego metalicznego pierwiastka podczas walcowania na gorąco. Modelowanie tego zjawiska jest zadaniem raczej dla analizy dyskretnej niż dla numerycznego rozwiązania kontynualnego. Zastosowane w pracy podejście łączy narzędzia i techniki metody elementów skończonych z metodą dyskretną opisującą dynamikę stanów przejściowych, detekcję styku i interakcje w obszarze styku. Połączenie różnych skal w modelu opiera się na przekazywaniu odpowiednich warunków brzegowych z modelu makro do prezentatywnych komórek, traktowanych jako model mezo. Ten model mezo składa się z dużej liczby odkształcalnych ciał, które wzajemnie oddziaływają na siebie. Każdy pojedynczy dyskretny element ma ogólny kształt oraz wymiar i może być dyskretyzowany elementami skończonymi dla przeprowadzenia analizy odkształcenia i dyfuzji. Procesy transportu w cienkiej warstwie przypowierzchniowej są opisane przez układ równań dyfuzji i ruchu cząstek, które są całkowane po czasie. Numeryczna analiza wykazała że, dla pewnych warunków walcowania, wzrost zawartości Mg w wyniku redystrybucji może być wynikiem tylko jednej lub kilku następujących przyczyn: usunięcie cienkiej warstwy tlenków przez ścieranie lub adhezję do powierzchni walców; przez wymieszanie małych tlenków (Mg) w warstwie pod powierzchniowej o grubości kilku mikronów; i przez dyfuzję. Dalsza analiza powinna zostać przeprowadzona dla weryfikacji przedstawionego modelu i dla ustalenia dominujących mechanizmów tworzenia się warstwy powierzchniowej oraz wpływu podstawowych parametrów procesu walcowania na tą warstwę.

5

Modelling of formation of stock surface and subsurface layers in breakdown rolling of aluminium alloy

Krzyzanowski M., Frolish M., Rainforth W.

Computer Methods in Materials Science

|

2007

|

Vol. 7, No. 1

88-93

EN

The model of the stock/roll interface during rolling is usually a micro-part of a more complex macro-finite-element model. Corresponding linking of modelling scales is a necessary stage for numerical analysis of fine mechanisms of the interface formation. These, for example, can include behaviour of thin oxide scales and formation of a few micron thick stock surface layers during hot rolling. The micro scale model has the capacity to include very fine features of the interface such as roll asperities, multi-layer scales, voids or a complicated profile of the scale/metal interface. Simulations of the reheating and breakdown rolling of the Al-Mg-Mn aluminium alloy AA3104 carried out at the University of Sheffield using a two-high laboratory mill were supported by detailed numerical modelling of the stock surface layer formation. To link ‘macro-’ and ‘micro-’ scales of the modelling, the micro-model was reduced to a small segment of the stock-roll interface. The boundary conditions for the small segment were taken from the macro-model. The FE mesh near the interface was then refined as required; the origin of coordinates was changed by tying it to one of the segment nodes and, finally, asperities and grinding defects on the roll surface were introduced onto the roll surface. This procedure allowed for consideration of the fine mechanisms responsible for formation of the scale/metal interface while, at the same time, reducing the number of elements under consideration. Examination of the specimens using glow discharge optical emission spectrometry revealed that the reheating induced significant Mg enrichment in the surface and near surface regions and that Mg diffusion and oxidation continued throughout the reheating. The results of the experimental examinations obtained for the laboratory samples indicated that the level of Mg in the near surface regions of the rolled specimen was of an order of magnitude less than that observed in the reheated specimens. Further analysis including the multi-scale numerical modelling indicated that, under the rolling conditions used, the fall in Mg content arose mainly due to the removal of some of the thin oxide layer by abrasion and adhesion to the work roll surface. In addition a small amount of Mg (as oxides) was intermixed into the subsurface layer of a few microns depth by deformation during rolling. It is thought that the mechanisms which led to the deformation and mixing of the oxide particles into the subsurface layer arose from slip at the roll/stock interface and the action of roll surface asperities on the stock surface.

PL

Symulacja ponownego nagrzewania oraz walcowania wstępnego stopu aluminium AA3104, zawierającego Al, Mg oraz Mn, została wykonana w oparciu o badania doświadczalne, stosując laboratoryjną walcarkę duo (dwuwalcową). Badania doświadczalne były ściśle połączone z modelowaniem numerycznym kształtowania się warstwy powierzchniowej wyrobu. Model powierzchni rozdziału pomiędzy walcem i wsadem zazwyczaj rozpatruje się jako część "mikro-" bardziej skomplikowanego modelu "makro-" opartego o metodę elementów skończonych. W tym przypadku odpowiednie połączenie skal modelowania jest procedurą niezbędną dla dokładnej analizy numerycznej mechanizmów kształtowania powierzchni rozdziału. Taka procedura pozwala na rozpatrywanie dokładnych mechanizmów odpowiadających za kształtowanie powierzchni rozdziału walec/wsad, obniżając jednocześnie liczbę rozpatrywanych elementów. W pracy wykazano, że podczas walcowania mała ilość tlenków magnezu wtrąca się w warstwę powierzchniową wsadu na głębokość około kilku mikronów. Mechanizm odpowiadający za kształtowanie oraz mechaniczne wtrącenie się cząstek tlenkowych w warstwę powierzchniową wsadu łączy się z oddziaływaniem chropowatej powierzchni walca na powierzchnię wyrobu oraz z poślizgiem wzdłuż powierzchni rozdziału: walec/wsad.