Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Modelling of microstructure changes during hot deformation using cellular automata

Kuc D., Gawąd J.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2011

|

Vol. 56, iss. 2

523-532

EN

The paper is focused on an application of the cellular automata (CA) method to description of microstructure changes in continuous deformation condition. The model approach consists of Cellular Automata model of microstructure development and the thermal-mechanical finite element (FE) code. Dynamic recrystallization phenomenon is taken into account in 2D CA model which takes advantage of explicit representation of microstructure, including individual grains and grain boundaries. Flow stress is the main material parameter in mechanical part of FE and is calculated on the basis of average dislocation density obtained from the CA model. The results obtained from the model were validated with the experimental data. In the present study, austenitic steel X3CrNi18-10 was investigated. The examination of microstructure for the initial and final microstructures was carried out, using light microscopy, transmission electron microscopy and EBSD technique. Compression forces were recorded during the tests and flow stresses were determined using the inverse method.

PL

W artykule przedstawiono model, który opisuje zmiany struktury w warunkach ciągłego odkształcenia z wykorzystaniem automatów komórkowych. Opracowane rozwiązanie wykorzystuje połączenie modelu automatów komórkowych (ang. Cellular Automata, CA) zmian mikrostruktury i kodu elementów skończonych rozwiązującego problem termomechaniczny. Do opracowania modelu zmian mikrostruktury wykorzystano dwuwymiarową siatkę automatów komórkowych. Model zmian naprężenia uplastyczniającego bazuje na średniej gęstości dyslokacji wyliczonej poprzez homogenizację gęstości dyslokacji w siatce automatów komórkowych. Opracowany model zweryfikowano w oparciu o wyznaczone krzywe płynięcia dla stali austenitycznej X3CrNi18-10 i badania mikrostruktury z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej, transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz techniki EBSD. Naprężenie uplastyczniające zostało wyznaczone w oparciu o metodę obliczeń odwrotnych na podstawie danych uzyskanych z prób osiowosymetrycznego ściskania.

2

Modelling of structure changes in continuous deformation conditions using cellular automata

Kuc D., Gawąd J.

Inżynieria Materiałowa

|

2010

|

Vol. 31, nr 3

677-680

EN

The paper is focused on application of multi-scale 2D method. Model approach consists of Cellular Automata (CA) model of microstructure development and the finite element code to solve thermomechanical problem. Dynamic recrystallization phenomenon is taken into account in 2D CA model which takes advantage of explicit representation of microstructure, including individual grains and grain boundaries. Flow stress is the main material parameter in mechanical part of FE and is calculated based on the average dislocation density obtained from CA model. The results attained from the model were validated with the experimental data. In the present study, austenitic steel X3CrNi18-9 was investigated. The examination of microstructure for the initial and final microstructures was carried out, using light microscopy and transmission electron microscopy. Compression forces were recorded during the tests and flow stresses were determined using inverse method.

PL

W artykule przedstawiono model wieloskalowy (CAFE), który opisuje zmiany struktury w warunkach ciągłego odkształcenia oraz umożliwia obliczenie krzywych płynięcia. Opracowane rozwiązanie wykorzystuje połączenie modelu automatów komórkowych (CA), zmian mikrostruktury i kodu elementów skończonych rozwiązującego problem termomechaniczny. Do opracowania modelu zmian mikrostruktury wykorzystano dwuwymiarowa siatkę automatów komórkowych. Model zmian naprężenia uplastyczniającego bazuje na średniej gęstości dyslokacji wyznaczonej z siatki CA. Opracowany model zweryfikowano na podstawie wyznaczonych krzywych płynięcia dla stali austenitycznej X3CrNi18-9 i badania struktury z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Naprężenie uplastyczniające zostało obliczone z wykorzystaniem metody inverse na podstawie danych uzyskanych z prób osiowosymetrycznego ściskania.

3

Wieloskalowy model procesu walcowania na gorąco z uwzględnieniem dynamicznej rekrystalizacji

Gawąd J., Madej W., Kuziak R., Pietrzyk M.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2008

|

Vol. 75, nr 12

702-706

PL

W pracy przedstawiono zastosowanie wieloskalowej metody CAFE w symulacji procesu walcowania na gorąco. Metoda CAFE jest połączeniem Metody Elementów Skończonych (ang. FE) i Automatów Komórkowych (ang. CA). Opierając się na metodzie Automatów Komórkowych skonstruowano model 2D zjawiska dynamicznej rekrystalizacji, opisujący zachowanie materiału w skali mikro. Za pomocą podejścia typu RVE model ten włączono do kodu MES, rozwiązującego problem mechaniczny i transportu ciepła na siatce Eulera. Na podstawie rozwiązania MES wyznaczono linie płynięcia materiału, wzdłuż których wyliczono odkształcenie, prędkość odkształcenia i temperaturę w kolejnych chwilach czasowych. Dla każdej linii płynięcia przeprowadzono oddzielne obliczenia za pomocą modelu w skali mikro. Zademonstrowano ulepszenia w interpretacji wyników otrzymanych z metody CA. Dla wybranych warunków walcowania na gorąco stali węglowo-manganowej przeprowadzono obliczenia CAFE oraz wykonano doświadczenie na walcarce laboratoryjnej. Porównano wielkości ziarna uzyskane w wyniku modelowania numerycznego i doświadczenia, uzyskując zadowalającą zgodność.

EN

An application of a multi-scale CAFE approach to hot rolling process is described in the paper. CAFE method couples cellular automata (CA) and finite element (FE) methods. The CA micro-scale model of dynamic recrystallization (DRX) was introduced into the thermal-mechanical FE code using RVE methodology. Presented CAFE model simulates the rolling process using steady state Eulerian approach and provides a prediction of thermomechanical parameters and microstructure development. Several CA spaces were created at the cross section of the sample and their state was calculated using changes of the external variables along the flow lines. Current local values of temperature, strain, strain rate and stress were calculated by the macro-scale FE model and then passed to micro-scale CA simulations. Improvements in analysing of average grain size in CA simulation were introduced. The CAFE calculations were performed for hot rolling of the carbon-manganese steel. Experiments were carried out on the laboratory two-high rolling mill for corresponding process conditions. The resulting grain sizes after the process were compared with the experimental data, achieving a satisfactory agreement.

4

Phase transition simulations for solidification of Fe-C alloy with cellular automata interfaced with self-adaptive HP finite element method for non-stationary heat and mass transport problems

Paszyński M., Gawąd J., Matuszyk P., Madej Ł., Podorska D.

Computer Methods in Materials Science

|

2008

|

Vol. 8, No. 4

179-185

EN

The simulation of the phase transition for solidification of Fe-C alloy with the Cellular Automata (CA) method interfaced with the hp-adaptive Finite Element Method (FEM) for the non-stationary heat and mass transport problems is presented in the paper. The computational domain is discretized by the uniform grid for the CA and a sequence of non uniform meshes for the self-adaptive hp-FEM. The rule-based CA model is responsible for the simulation of the grow of the new phase within the Fe-C alloy. The self-adaptive hp-FEM generates a sequence of meshes delivering exponential convergence of the numerical error with respect to the mesh size (CPU time). The solution from the previous time step as well as material data from the CA grid are projected to the current self-adaptive hp-FEM. The detailed description of the developed approach as well as the examples of numerical simulations are presented and discussed in the paper.

PL

W pracy podjęto próbę symulacji przemiany fazowej za pomocą połączenia metody Automatów Komórkowych (Cellular Automata CA) z rozwiązaniem Metodą Elementów Skończonych (MES) problemu transportu ciepła i masy. Wykorzystane podejście bazuje na dyskretyzacji wspólnej domeny obliczeniowej za pomocą stałej siatki CA oraz hp-adaptowanej siatki MES. Za pomocą modelu CA odtworzono rozrost ziarna nowej fazy, wykorzystując reguło wy opis postępu przemiany. Ponieważ na granicy międzyfazowej zachodzi skokowa zmiana własności materiału, a jednocześnie zmienne pole temperatur i koncentracji składników wpływa na lokalną kinetykę przemiany, w obszarze tym przeprowadzono adaptację siatki MES. Natomiast w obszarach odległych od frontu przemiany prowadzone jest rozwiązanie na elementach dużo większych od rozmiaru komórek CA. Pomiędzy MES i CA wprowadzono algorytm wygładzający, oparty na metodzie SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). W pracy zaprezentowany został opis opracowanego modelu wieloskalowego oraz przedstawiono wyniki symulacji przemiany fazowej.

5

Digital Materials - nowe kierunki rozwoju symulacji numerycznej procesów przetwórstwa metali

Gawąd J., Kusiak J., Pietrzyk M., Rauch Ł., Madej Ł.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2007

|

Vol. 74, nr 4

208-216

PL

W pracy omówiono nowoczesne metody analizy procesów zachodzących w metalach i stopach podczas przeróbki plastycznej, wykorzystujące metodę analizy wieloskalowej CAFE (Cellular Automata in Finite Element). Szczególny nacisk położono na wykorzystanie zalet cyfrowej reprezentacji materiału, pozwalającej wiernie odwzorować rzeczywistą mikrostrukturę z jej cechami charakterystycznymi, stwarzając nową jakość symulacji numerycznej. W artykule przedstawiono przegląd dotychczasowych zastosowań koncepcji cyfrowej reprezentacji materiału oraz propozycję własnego rozwiązania w tej dziedzinie. Zaprezentowano również opis tworzenia cyfrowej struktury materiału opierając się na rzeczywistym zdjęciu z mikroskopu optycznego oraz możliwości wykorzystania tak przygotowanej struktury w opracowanych modelach analizy wieloskalowej CAFE.

EN

Application of new multi scale CAFE (Cellular Automata in Finite Element) models to numerical simulation of material behaviour during deformation processing is the subject of the paper. Particular attention is put on investigation of capabilities created by the digital material representation approach. This approach provides a possibility for detailed description of microstructure taking into account its specific features. Literature review on application of the digital material methodology, as well as proposition of the model developed by the Authors based on this idea, are presented in the work. Entire cycle of generation of the digital structure from the optical microscope image, as well as possibilities of its further application in developed multi scale CAFE models, are discussed in the paper.

6

Arrangement of flow modification devices in continuous casting tundish based on multicriterion optimalization

Macioł P., Gawąd J., Podorska D.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2007

|

Vol. 52, iss. 1

105-112

EN

The article presents the method of optimization of flow modifying devices arrangement in the casting tundish, which create the favourable conditions for removal of inclusions. The numerical simulation of velocity field of steel flow in the tundish is coupled with the optimization procedure, consisting in search for Pareto-optimal set of geometric parameters of the tundish. The problem under study concerns the system of two lower and one upper dams. The calculations employing finite elements method were carried out in the two dimensional system. The simulation model was constructed on the basis of ADINA-F commercial program. Optimization criteria were formulated for the residence time of steel in the tundish and the velocity components in the sub-surface layer. The codes developed by the authors were applied, which allowed for fully automatic coupling of optimization module with ADINA-F program. As a result the set of six geometric parameters describing the optimal dams arrangement was obtained.

PL

Artykuł przedstawia metodę wyznaczania optymalnego rozmieszczenia przegród kształtujących przepływ w kadzi pośredniej odlewania ciągłego pod względem korzystnych warunków dla usuwania wtrąceń niemetalicznych. Numeryczna symulacja pola prędkości przepływu stali w kadzi pośredniej została sprzężona z procedurą optymalizacyjną, polegającą na znalezieniu optymalnego w sensie Pareto zbioru parametrów geometrycznych kadzi. Obiektem optymalizacji był układ dwóch przegród dolnych i jednej górnej. Obliczenia przy pomocy metody elementów skończonych zrealizowano w układzie dwuwymiarowym. Model symulacji został zbudowany na bazie komercyjnego programu ADINA-F. Kryteria optymalizacji zostały wyrażone poprzez czas przebywania stali w kadzi oraz przez składowe prędkości stali w warstwie powierzchniowej. Użyto kodów opracowanych przez autorów, co pozwoliło na całkowicie automatyczne sprzężenie modułu optymalizującego z programem ADINA-F. W wyniku obliczeń uzyskano zestaw sześciu parametrów geometrycznych, opisujących optymalny układ przegród.

7

Application of CAFE multiscale model to description of microstructure development during dynamic recrystallization

Gawąd J., Pietrzyk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2007

|

Vol. 52, iss. 2

257-266

EN

Multiscale CAFE (Cellular Automata – Finite Element) model of the material undergoing dynamic recrystallization is presented in the paper. The coupled model consists of dislocation and microstructure development description based on Cellular Automata (CA) and continuum macroscale simulation using Finite Element (FE) method. The model is capable of simulate various characteristics of the material, including multi-peak and single-peak flow stress behaviour. Several improvements to the CA model are proposed in the paper. The connection between flow stress characteristic and grain size is properly described by the model with respect to the structural criterion. Additionally, distribution of grain size can be calculated at arbitrary stage of the process. Analysis of recrystallization cycles observed in the material is discussed. The results show good qualitative agreement with the experimental flow stress curves commonly observed in literature.

PL

W artykule zaprezentowano wieloskalowy model CAFE (Cellular Automata – Finite Element). Model ten złożony jest z symulacji rozwoju mikrostruktury i gęstości dyslokacji, opartej o metodę Automatów Komórkowych (AK, CA) oraz modelu skali makro, opartego o Metodę Elementów Skończonych (MES, FE). Zaproponowano szereg usprawnień do modelu skali mikro. Model ten umożliwia uwzględnienie różnych charakterystyk naprężenia uplastyczniajacego, w tym jednopikowego i wielopikowego. Model poprawnie odwzorowuje kryterium strukturalne, łączące charakter krzywej naprężenia uplastyczniajacego z wielkością ziarna. Zaletą modelu jest dostarczanie zarówno informacji o średniej wielkości ziarna jak i o rozkładzie wielkości. W pracy przeanalizowano krzywe opisujące ułamki cykli rekrystalizacji w materiale. Uzyskane z modelu krzywe naprężenia uplastyczniającego wykazuje dobrą zgodność jakościową z powszechnie znanymi z literatury danymi doświadczalnymi.

8

Zastosowanie automatów komórkowych do wieloskalowej analizy zjawisk w inżynierii metali

Gawąd J., Madej Ł.

Informatyka w Technologii Materiałów

|

2005

|

T. 5, Nr 4

142-162

PL

W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia, związane z wykorzystaniem automatów komórkowych w inżynierii materiałowej. Oprócz wprowadzenia teoretycznego do tej metody symulacyjnej wskazano dziedziny nauki, w których została z powodzeniem zastosowana. Dużą uwagę poświęcono przeglądowi najnowszych dokonań w zakresie modelowania za pomocą CA zjawisk zachodzących w mikrostrukturze. Nowoczesne trendy projektowania materiałów kładą nacisk na ich tworzenie kierowane planowanymi właściwościami. Oznacza to, że projektując proces technologiczny należy przewidywać właściwości otrzymywanego materiału - co w wielu wypadkach sprowadza się do znajomości jego struktury. Pomocnym narzędziem na takiej ścieżce projektowania są metody wieloskalowej. W niniejszej pracy omówiono przykłady jednego z podejść do analizy wieloskalowej - modelowania CAFE. Przedstawione zastosowania różnorodnych odmian tego paradygmatu obliczeniowego wskazują na jego znakomitą użyteczność i adaptowalność.

EN

The problems of development of an alternative computational tool, which is capable of including in models the stochastic and discontinuous phenomena occurring in materials, are discussed in this paper. The outlook of solutions, which are based on the Cellular Automata (CA) approach, is presented. Various kinds of applications of the CA method to the modeling of metallurgical processes are described. Examples of application of the multiscale methods based on the combination of the CA method and the macro scale analysis techniques based on the finite element approach are discussed, as well. The purpose of CA technique in multiscale analysis is a link between various phenomena in the microscopic scale and macroscopic mechanical properties. Variety of practical applications makes this method a very powerful computational tool. This paper is a study of possibilities given by those relatively new computational techniques. The advantages and limitations occurring during metal forming applications of the methods are also discussed

9

Multiscale modeling of microstructure and macroscopic properties in thixoforming process using cellular automation technique

Gawąd J., Macioł P., Pietrzyk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2005

|

Vol. 50, iss. 3

549-562

EN

The thixotropy phenomenon is strongly connected with the change of viscosity in time, while the shear rate and temperature are constant. One of the most important challenges in computer modeling of the materials that show such behavior is the proper description of microstructure development. The changes of microstructure during thixoforming processes are crucial to material properties, such as viscosity. Due to different scales of the models, the simultaneous modeling of microstructure development and viscosity property is still difficult. Therefore, the application of multiscale methods may provide the solution of the discussed problem. In this paper the multiscale model is proposed. The cellular automaton (CA) technique is used as microscale model. The main advantage of CA is ability to modeling of global behavior of the system on the basis of local interactions. In this paper the CA technique was applied for modeling of viscosity change and microstructural behavior of thixoformed material. The macroscale model is based on FEM solution of Navier-Stockes equation. The micro- and macroscale models are coupled using CAFE approach.

PL

Zjawisko tiksotropii polega na zmianie lepkości cieczy przy ustalonej prędkości ścinania i temperaturze. W komputerowym modelowaniu zachowania się materiału wykazującego właściwości tiksotropowe (w tym stopów wykorzystywanych w procesach tiksoformingu), jednym z ważniejszych zagadnień jest poprawne opisanie zmian mikrostruktury w czasie. Zmiany te w sposób krytyczny oddziałują na własności makroskopowe materiału w tym przede wszystkim lepkość. Równoczesne modelowanie zmian mikrostruktury i efektów makroskopowych jest utrudnione przede wszystkim ze wzgledu na różnice skal obu tych procesów. Rozwiązaniem tych trudności może być zastosowanie metod modelowania wieloskalowgo. W rozważanym przypadku modelowanie przeprowadzono bazując na połączenia układów równań różniczkowych cząstkowych oraz rozwiązań w skali mikro, wykorzystujących automaty komórkowe. Podstawową zaletą automatów komórkowych jest wykorzystywanie zależności lokalnych do modelowania globalnego zachowania systemu.

10

Parameters Identification of Material Models Based on the Inverse Analysis

Szeliga D., Gawąd J., Pietrzyk M.

International Journal of Applied Mathematics and Computer Science

|

2004

|

Vol. 14, no 4

549-556

EN

The paper presents an application of the inverse analysis to the identification of two models: a phase transformation model and a rheological model. The optimization algorithm for the inverse analysis was tested for various techniques of searching for the minimum: derivative-free and gradient methods, as well as genetic algorithms. Simulation results were validated for microalloyed niobium steel. An optimization strategy, which is adequate for the inverse analysis, is suggested.

11

Zastosowanie optymalizacji wielokryterialnej do wyznaczania krzywej umocnienia metalu na podstawie różnych prób plastometrycznych.

Gawąd J., Pidvyssotskyy V., Szeliga D., Paćko M., Pietrzyk M.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2003

|

R. 48, nr 10-11

522-526

PL

Przedstawiono zastosowanie optymalizacji wielokryterialnej w analizie odwrotnej. Zaproponowane podejście pozwala na przeprowadzenie analizy odwrotnej jednocześnie dla różnych typów prób plastometrycznych, w których występują odmienne stany naprężenia. Przeprowadzone obliczenia bazują na wynikach z próby kanalikowej oraz spęczania sześcianu i walca. W publikacji omówiono sposoby rozwiązania problemu wielokryterialnego. Do optymalizacji zastosowano metodę sympleksów. Rozwiązanie zadania bezpośredniego prowadzono z wykorzystaniem symulacji MES programem ABAQUS/Standard.

EN

Application of multi-criteria optimisation in inverse analysis has been presented. The proposed approach enables performing of the inverse analysis simultaneously for various types of plastometric tests, in which different states of stress are present. Calculations were made using results of the plane strain compression tests in channel dies and of compression of cubes and cylindrical samples. Methods for solving multi-criteria problem have been described. The simplex method was applied for the optimisation, and the direct problem was solved using the ABAQUS/Standard FEM simulation software.

12

Application of evolutionary algorithms for inverse analysis and computation

Gawąd J., Szeliga D.

Metallurgy and Foundry Engineering

|

2002

|

Vol. 28, no. 2

137-148

EN

The aim of the paper was presentation of the application of the evolutionary computations for the inverse analysis of metal forming processes. Demonstrated issue was concerned with cold forming of copper and forming of carbon-manganese steel at temperatures range form 800-1000°C. The ring compression tests were used in the considered inverse analysis. The goal function was defined as a distance between measured loads and those computed by FEM model. The empirical equation was proposed as a model of flow stress for copper. This model allows achieving of better consistence of measured and computed loads and faster convergence, comparing to the commonly used power functions. The hybrid evolutionary algorithm was developed and is described in the paper. It conceptually includes genetic algorithm and evolutionary strategy. Applied computational procedure took advantage of the hybrid algorithm and allows obtaining good convergence and almost precise findings.

PL

Celem pracy jest prezentacja zastosowania obliczeń ewolucyjnych w analizie odwrotnej procesów przeróbki plastycznej metali. Prezentowane zagadnienie analizy odwrotnej dotyczy miedzi - odkształcanej w temperaturze pokojowej, oraz stali węglowo-manganowej - odkształcanej w temperaturze 800-1000°C. W przedstawionych obliczeniach odwrotnych jako dane wejściowe, wykorzystywano wyniki prób spęczania pierścieni. Jako funkcję celu przyjęto wartość błędu pomiędzy siłami zmierzonymi i obliczonymi w drodze symulacji MES. W pracy zaproponowano model naprężenia uplastyczniającego dla miedzi, pozwalający na osiągnięcie lepszej zgodności wartości sił przewidywanych oraz zmierzonych, niż ma to miejsce dla powszechnie stosowanej funkcji potęgowej. Przedstawiono hybrydowy algorytm ewolucyjny, koncepcyjnie będący połączeniem algorytmu genetycznego oraz strategii ewolucyjnej. Zastosowana procedura obliczeniowa cechuje się dobrą zbieżnością i pozwala na osiąganie niemal dokładnych wyników.

13

Algorytmy genetyczne w obliczeniach odwrotnych do interpretacji wyników próby spęczania pierścieni.

Szeliga D., Gawąd J., Pietrzyk M.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2001

|

R. 46, nr 11

512-517

PL

Celem pracy jest ocena przydatności metody optymalizacji opartej na algorytmach genetycznych, do analizy odwrotnej procesów plastycznej przeróbki metali. W pracy przedstawiono ogólne zasady analizy odwrotnej i opisano model zadania bezpośredniego wykorzystujący sztywno-plastyczne rozwiązanie metodą elementów skończonych. Zaprezentowano algorytm genetyczny w aspekcie jego implementacji do rozwiązania problemu odwrotnego oraz zbadano skuteczność metody dla pierścieni ze stali węglowo-manganowej odkształcanej na gorąco. Wyniki pomiarów siły w funkcji przemieszczenia stempla stanowiły dane wejściowe do analizy odwrotnej. Przeprowadzone obliczenia pokazały, że algorytmy genetyczne są przydatne w zastosowaniach do analizy odwrotnej. Procedura wykazuje zarówno dobrą dokładność i zbieżność, jak też skuteczność w omijaniu minimów lokalnych.

EN

The objective of the paper is an evaluation of optimization technique based on genetic algorithm, concerning an applicability of the method to the inverse analysis. The general principles of the inverse analysis are discussed in the paper and short description of the direct model based on the finite element solution is given. Genetic algorithm is presented next and an implementation of the method into the inverse analysis is shown. Practical application of the algorithm is investigated for carbon-manganese rings in hot compression test. Load-displacement data were used as input to the inverse analysis. Results of calculations have shown that genetic algorithm is an efficient optimization technique for the inverse method applications. It confirmed good accuracy and convergence as well as avoiding of local minima during the optimization process.