Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Multi-scale modelling of brick masonry using a numerical homogenisation technique and an artificial neural network

Urbański Aleksander, Ligęza Szymon, Drabczyk Marcin

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 4

179--197

EN

A new method of creating constitutive model of masonry is reported in this work. The model is not an explicit orthotropic elastic-plastic one, but with an artificial neural network (ANN) giving an implicit constitutive function. It relates the new state of generalised stresses Σn+1 with the old state Σn and with an increment of generalised strains ΔE (plane-stress conditions are assumed). The first step is to run a strain- controlled homogenisation, repeatedly, on a three-dimensional finite element model of a periodic cell, with elastic-plastic models (Drucker-Prager) of the components; thus a set of paths is created in (Σ, ΔE) space. From these paths, a set of patterns is formed to train the ANN. A description of how to prepare these data and a discussion on ANN training issues are presented. Finally, the procedure based on trained ANN is put into a finite-element code as a constitutive function. This enables the analysis of arbitrarily large masonry systems. The approach is verified by comparing the results of the developed model basing on ANN with a direct (single-scale) one, which showed acceptable accuracy.

PL

W pracy przedstawiono sposób tworzenia makro-modelu konstytutywnego muru ceglanego. Przyjmuje się założenia płaskiego stanu naprężenia. Tworzony model nie jest modelem ortotropowym sprężysto-plastycznym, ale jest zbudowany jako sztuczna sieć neuronowa (SSN) dająca niejawną funkcję konstytutywną. Wiąże ona nowy stan naprężeń uogólnionych (sił membranowych) Σn+1 z poprzednim stanem Σn oraz przyrostem odkształceń uogólnionych ΔE. Forma tak utworzonego makro-modelu konstytutywnego jest zgodna z analizą przyrostową problemu statyki w przypadku nieliniowości materiałowych. Składniki muru (cegła i zaprawa) są opisane modelami sprężysto-plastycznymi Druckera-Pragera. Parametry materiałowe składników muru oraz geometria komórki powtarzalnej stanowią dane wejściowe, służące budowie makro-modelu muru.

2

Developing a multiscale in silico cornea for understanding the role of cell mechanics in corneal pathologies

Pant Anup, Paul Elliot, Vahdati Ali

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2020

|

Vol. 40, no. 4

1369--1377

EN

Multiscale in silico modeling of the cell-tissue-organ units is an emerging area of research with the potential to improve our understanding of various disease pathogenesis. Using a multiscale modeling approach, we developed a computational model of the human cornea to investigate how the application of macroscale loads may alter the micro-mechanical environment of the cells. We then utilized the multiscale model to study the effect of physiological and non-physiological mechanical loading conditions such as intraocular pressure (IOP) loading, IOP spike, and eye-poking on the corneal cells. On comparing the results obtained under increased IOP and eye-poking loading, we observed large differences in the averaged principal stress magnitudes in the immediate vicinity of the cell through the thickness of the cornea. On the other hand, our model predicted that under physiological IOP loading, the average principal strain magnitudes in the immediate vicinity of the cell remained almost constant irrespective of the cell location in the stroma. To our knowledge, this is the first study that investigates the effect of mechanical loading on the corneal cells through a multiscale modeling framework. Our computational multiscale cornea model provides a platform to perform virtual experiments and test hypotheses to further our understanding of the potential mechanical cause of multiple diseases in the cornea.

3

Zaawansowana analiza wytrzymałościowa wypraski z kompozytu WPC z uwzględnieniem powtryskowej orientacji włókien w osnowie polimerowej

Frącz W., Janowski G.

Mechanik

|

2016

|

R. 89, nr 7

628--630

PL

Przeprowadzono analizę numeryczną testu rozciągania próbki z kompozytu drewno-polimer (WPC) z uwzględnieniem jego heterogenicznych właściwości. Dane dotyczące orientacji włókien uzyskano z użyciem oprogramowania Autodesk Moldflow Insight 2013. Właściwości kompozytu zdefiniowano za pomocą oprogramowania Digimat 6.0.1, a obliczenia wytrzymałościowe wykonano w programie Ansys 15. Wyniki symulacji numerycznych porównano z eksperymentem.

EN

The paper presents numerical simulation of the tensile test to a wood-polymer composite (WPC) specimen with its heterogeneous properties considered. The data on fibers orientation were obtained by means of the Autodesk Moldflow Insight 2013 software to commercial code. Composite properties of the specimen were defined by means Digimat 6.0.1 software. Strength calculations were performed using the ANSYS 15 software. Results of numerical simulations and of the experiment were compared with each other.

4

Application of the Digital Material Representation to strain localization prediction in the two phase titanium alloys for aerospace applications

Muszka K., Madej L., Wynne B. P.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2016

|

Vol. 16, no. 2

224--234

EN

In the present work Digital Material Representation (DMR) approach was utilized to simulate the deformation behavior of the two phase Ti-6Al-4V alloy. DMR models of the two phase structure, containing different morphologies of alpha grains within a beta matrix – lamellar and equiaxed, were created. Each phase was then separated and different mechanical properties were assigned. Subsequently, their response to loading was tested using simple shear numerical simulations with special focus on strain inhomogeneities, as the main driving force for spheroidization is considered to be the formation of intense shearing within alpha lamellae. The proposed modeling approach combining Finite Element Method (FEM) with DMR allowed for much more detailed numerical analysis of deformation behavior of two phase titanium alloys at the micro scale and provided information such as strain localization and stress distributions within the alpha and beta phases. It was showed that presented model offers a new and powerful tool to study the physical bases of microstructure evolution processes such as spheroidization or recrystallization of Ti alloys. It shows good potential in simulation of deformation processes of complex two-phase morphologies that is a crucial step towards optimization of process parameters during hot forming of Ti-6Al-4V alloys.

5

Modelowanie wieloskalowe gradientowych kompozytów włóknistych

Hatłas M., Beluch W.

Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Informatyki

|

2015

|

Vol. 14, Nr 1

5--13

PL

W pracy przedstawiono metodę modelowania wieloskalowego materiałów gradientowych na przykładzie kompozytu włóknistego o zmiennej średnicy włókna. Celem modelowania było wyznaczenie makroskopowych własności materiałowych określających zmiany w materiale gradientowym. Obliczenia wykonano w oparciu o analizę naprężeń z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES) oraz homogenizacji numerycznej.

EN

The paper presents a method for multiscale modelling of graded materials, on the example of fiber composite with varying fiber diameter. The aim of modelling was to determine the macroscopic material properties, which define changes in graded material. Calculations were based on stress analysis by means finite element method and numerical homogenization.

6

Wieloskalowe modelowanie odkształcenia stali TRIP w procesie ciągnienia prętów

Bachniak D., Bzowski K., Rauch Ł., Pietrzyk M

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

|

2015

|

z. 267

13--18

PL

Tematem pracy jest modelowanie lokalnych zjawisk występujących w stalach TRIP w procesie ciągnienia prętów. Symulację numeryczną procesu ciągnienia w skali makro przeprowadzono za pomocą metody elementów skończonych (MES), a rzeczywistą mikrostrukturę w skali mikro zastąpiono przez Reprezentatywny Element Objętości (ang. Representative Volume Element - RVE). Początkowo struktura RVE została stworzona z wykorzystaniem algorytmów analizy obrazu oraz bazując na wynikach pracy podejmującej problem doboru parametrów obróbki cieplnej stali TRD [1]. Przedstawione podejście w połączeniu z miarami statystycznymi pozwoliło na stworzenie Statystycznie Podobnego Reprezentatywnego Elementu Objętości (ang. Statistically Similar Representative Volume Element - SSRVE) [2]. Taki element umożliwił uproszczenie reprezentacji faz w mikrostrukturze zakładając okresowe warunki brzegowe. Właściwości poszczególnych faz przyjęto na podstawie pracy [3], w której zostały one określone za pomocą badań plastometrycznych. Właściwości faz, włączając naprężenia uplastyczniające, zostały wprowadzone do SSRVE. Następnie, w celu określenia wielkości odkształcenia austenitu szczątkowego, wykonano symulacje odkształcenia elementu SSRVE dla różnych parametrów początkowych. Rozkład austenitu szczątkowego w próbce wyznaczono na podstawie relacji pomiędzy ułamkiem objętości austenitu i odkształceniem. Otrzymane wyniki zweryfikowano wykorzystując dostępne dane doświadczalne [4-6], a weryfikacja potwierdziła wiarygodność modelu wieloskalowego.

EN

Modelling of local phenomena occurring in TRIP steels during deformation in the rod drawing process was the objective of the paper. Process parameters at macro scale were calculated using finite element (FE) method. Representative Volume Elements (RVE) were attached to the flow lines in the FE program. Initial microstructure in the RVE was generated using image analysis for various parameters of heat treatment proposed in [1]. Following this, statistical methods were used to generate Statistically Similar Representative Volume Element (SSRVE) [2]. This element contains simplified representation of phases in the microstructure assuming periodic boundary conditions. Properties of phases were taken from the literature [3], where they were determined in plastometric tests. In the case of martensite it was compression on nano samples. These properties of phases including flow stress were introduced to SSRVE and simulations of deformation of this element during process were performed for various drawing parameters and deformation of the retained austenite was predicted. Accounting for relation between amount of deformation and volume fraction of the retained austenite distribution of the latter was determined. The results were confirmed with available experimental data [4-6] and good predictive capability of the multiscale model was confirmed.

7

Robust Multiscale Modelling of Two-Phase Steels on Heterogeneous Hardware Infrastructures by Using Statistically Similar Representative Volume Element

Rauch Ł., Bzowski K., Bachniak D., Pietrzyk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3A

1973--1979

EN

The coupled finite element multiscale simulations (FE2) require costly numerical procedures in both macro and micro scales. Attempts to improve numerical efficiency are focused mainly on two areas of development, i.e. parallelization/distribution of numerical procedures and simplification of virtual material representation. One of the representatives of both mentioned areas is the idea of Statistically Similar Representative Volume Element (SSRVE). It aims at the reduction of the number of finite elements in micro scale as well as at parallelization of the calculations in micro scale which can be performed without barriers. The simplification of computational domain is realized by transformation of sophisticated images of material microstructure into artificially created simple objects being characterized by similar features as their original equivalents. In existing solutions for two-phase steels SSRVE is created on the basis of the analysis of shape coefficients of hard phase in real microstructure and searching for a representative simple structure with similar shape coefficients. Optimization techniques were used to solve this task. In the present paper local strains and stresses are added to the cost function in optimization. Various forms of the objective function composed of different elements were investigated and used in the optimization procedure for the creation of the final SSRVE. The results are compared as far as the efficiency of the procedure and uniqueness of the solution are considered. The best objective function composed of shape coefficients, as well as of strains and stresses, was proposed. Examples of SSRVEs determined for the investigated two-phase steel using that objective function are demonstrated in the paper. Each step of SSRVE creation is investigated from computational efficiency point of view. The proposition of implementation of the whole computational procedure on modern High Performance Computing (HPC) infrastructures is described. It includes software architecture of the solution as well as presentation of the middleware applied for data farming purposes.

PL

Symulacje wieloskalowe z wykorzystaniem sprzężonej metody elementów skończonych wymagają kosztownych numerycznie procedur zarówno w skali makro jak i mikro. Próby poprawy efektywności numerycznej skupione są przede wszystkim na dwóch obszarach rozwoju tj. zrównoleglenie/rozproszenie procedur numerycznych oraz uproszczenie wirtualnej reprezentacji materiału. Jedną z metod reprezentującą obydwa obszary jest podejście Statystycznie Podobnego Reprezentatywnego Elementu Objętościowego. Głównym celem tej metody jest redukcja ilości elementów dyskretyzujących przestrzeń obliczeniową, ale również możliwość zrównoleglenia obliczeń w skali mikro, które mogą być realizowane niezależnie od siebie. Uproszczenie domeny obliczeniowej poprzez tworzenie elementu SSRVE realizowane jest za pomocą metod optymalizacji umożliwiających tworzenie elementu najbardziej podobnego do rzeczywistego materiału na podstawie wybranych cech charakterystycznych. W rozwiązaniu dla stali dwufazowych cechy opisujące podobieństwo są tworzone na podstawie analizy współczynników kształtu ziaren martenzytu na zdjęciu rzeczywistej mikrostruktury. Natomiast podejście przedstawione w niniejszym artykule zostało rozbudowane dodatkowo o lokalne wartości naprężeń i odkształceń tak, aby w pełni odzwierciedlić podobieństwo zarówno wizualne jak i behawioralne. Różne formy funkcji celu zostały poddane analizie w procesie optymalizacji, a uzyskane wyniki zostały porównane pod względem jakości, a także efektywności i unikalności rozwiązania. Ostatecznie zaproponowana została najlepsza funkcja celu obejmująca współczynniki kształtu oraz wartości naprężeń i odkształceń. Przykłady SSRVE wyznaczone dla analizowanych stali dwufazowych zostały przedstawione w artykule. Natomiast każdy krok procedury tworzenia elementu SSRVE został poddany analizie wydajności obliczeniowe, na podstawie której zaproponowane zostało podejście wykorzystujące nowoczesne architektury sprzętowe wysokiej wydajności. Opis podejścia zawiera zarówno architekturę rozwiązania jak i prezentację oprogramowania warstwy pośredniczącej.

8

Development of the cellular automata framework dedicated for metallic materials microstructure evolution models

Rauch L., Madej L., Spytkowski P., Golab R.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2015

|

Vol. 15, no. 1

48--61

EN

The main goal of the paper is to design and implement a framework based on the cellular automata (CA) method, which is dedicated to numerical simulations of microstructure evolution in metallic materials under thermal and mechanical processing. Major assumptions and implementation details of the proposed solution involving classes containing dedicated fields and methods are discussed. Finally, the cellular automata framework (CAF) is tested for selected case studies supported by the Windows Workflow Foundation (WWF) approach. Particular attention is put on modelling simple grain growth, static recrystallization and phase transformation phenomena occurring at the microstructure level. Obtained results of simulations as well as performance characteristics are also presented in the paper. As a result, the CA framework, which supports design of complex algorithms with flexible data flow and reusable components is proposed.

9

Wieloskalowe modelowanie struktur wytworzonych z użyciem metody fused deposition modeling (fdm) do zastosowań w medycynie

Makowski P., Kuś W.

Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Informatyki

|

2014

|

Vol. 13, Nr 1

132--138

PL

W pracy przedstawiono metodę modelowania wieloskalowego struktur wytworzonych z użyciem addytywnej metody Fused Deposition Modeling (FDM). Jako przykład wykorzystano model biorusztowania kości beleczkowej. Na podstawie wytworzonego modelu wzorcowego biorusztowania, zbudowano numeryczny model trójskalowy MES uwzględniający budowę struktury w skalach mikro, meso i makro. Obliczenia wieloskalowe zrealizowano z zastosowaniem metody homogenizacji numerycznej.

EN

The paper presents a method for multiscale modeling of structures manufactured using Fused Deposition Modeling (FDM) additive method, on the example of trabecular bone scaffold model. On the basis of manufactured bone scaffold reference model, the FEM numerical model of the structure was build, which takes into account the structure of scaffold at micro, meso and macro scales. Multiscale calculations were performed using numerical homogenization method.

10

Trabecular bone numerical homogenization with the use of buffer zone

Makowski P., Kuś W.

Computer Assisted Methods in Engineering and Science

|

2014

|

Vol. 21, no. 2

113--121

EN

The paper is devoted to calculation of effective orthotropic material parameters for trabecular bone tissue. The finite element method (FEM) numerical model of bone sample was created on the basis of microcomputed tomography (µCT) data. The buffer zone surrounding the tissue was created to apply the periodic boundary conditions. Numerical homogenization algorithm was implemented in FEM software and used to calculate the elasticity matrix coefficients of the considered bone sample.

11

Przegląd modeli numerycznych zjawisk fizycznych występujących w procesach ekstrakcji jonowymiennej metali

Macioł P., Gotfryd L.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2013

|

R. 58, nr 7

390-394

PL

W artykule przedstawiono przegląd modeli numerycznych, stosowanych do modelowania zjawisk fizycznych zachodzących w procesach ekstrakcji jonowymiennej metali. Skrótowo omówiony został sam proces oraz najistotniejsze zjawiska. Omówiono metody badawcze, pozwalające na wyznaczenie parametrów modeli numerycznych. Zaprezentowano prace, opisujące modele numeryczne przepływów laminarnych i turbulentnych, powstawania dyspersji dwóch niemieszających się cieczy oraz ich grawitacyjnej separacji, polimeryzacji oraz zachowania powierzchni swobodnej.

EN

The first step of multiscale model design is choosing numerical models for all significant phenomena. It this paper, the review of existing numerical models for phenomena present in ion-exchange solvent extraction is done. Modelling of this process is focused mainly on calculating of a composition of phases leaving a reactor. Phenomena influencing on a final result are: a flow of two, immiscible fluids, a dispersion of one of them, a gravitational separation and an ion exchange on phase’s boundaries itself. Each of them should be described with a suitable numerical model. A macroscopic flow is usually described with Computational Fluid Dynamic (CFD). An addition of microscopic effects, like bubbles topology and surface tensions allows modelling of dispersion and separation, as well as improves a reliability of a fluid flow model. In a spatial scale comparable with a size of dispersed bubbles, diffusion and an ion exchange are present. Some additional models for phenomena like a surface eddy and a polymerization should be also considered. Due to a lack of a comprehensive description of modelling of an ion-exchange solvent extraction in the literature, models for all phenomena were reviewed separately. Modelling of a two-fluid flow could treat both phases separately or as a single phase with an additional description of its phase composition and a relative movement of phases. The eddy over the mixing zone could be computed basing on CFD techniques, but due to instabilities on the free surface, very short time steps are enforced. Empirical models, based on experimental data are less accurate, but much more stable. There are no models of polymerization in the solvent extraction context in the literature. Available models were developed for processes, where a polymerization is awaited and they are not applicable in described case. Modelling of diffusion and an ion exchange in the microscale are believed to be very important, but an exact description of a dispersion topology is a necessary condition. In fact, it is not practically possible to calculate such a topology with a presently available computing power. The review, presented in this paper will be used to develop the multiscale model for an ion-exchange solvent extraction. It will be based on Agile Multiscale Modelling (AM3), developed by Authors.

12

Wieloskalowe modelowanie przepływu w rejonie ściany – wybrane zagadnienia

Krawczyk J., Janus J., Ostrogórski P., Pałka T.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2013

|

Vol. 15, no. 1-2

31--39

PL

Systemy wentylacyjne kopalń głębinowych są zbyt rozległe i złożone, by przy wydajności współczesnych komputerów prowadzić dla całych obiektów symulacje metodą objętości skończonej. Z tego powodu są modelowane wybrane fragmenty sieci. Dla procesów stacjonarnych pominięte obszary mogą być zastąpione przez warunki na brzegach. Podczas stanów przejściowych dynamiczne własności pominiętych obszarów sieci mogą mieć istotny wpływ na przebieg zjawiska. Skutecznym rozwiązaniem może być wyodrębnienie sieci wentylacyjnej podobszaru, gdzie dokładny opis jest szczególnie uzasadniony. Podobszar ten będzie modelowany metodą objętości skończonej z użyciem dwu lub trójwymiarowego opisu. Dla pozostałej części sieci stosowany jest prostszy, jednowymiarowy opis. W ten sposób może być reprezentowana całą sieć wentylacyjna, lub jej rozległy fragment. Opracowano metodę współbieżnej symulacji niestacjonarnych przepływów, w której w kolejnych krokach czasowych programy symulacyjne wymieniają ze sobą dane, aktualizując warunki brzegowe w strefach łączących podobszar wymagający dokładniejszego opisu z pozostałą częścią sieci. Metoda ta ma zastosowanie zarówno dla jednowymiarowego quasi statycznego opisu użytego w programie Ventgraph jaki dla pełniejszego jednowymiarowego opisu przepływu mieszaniny gazów doskonałych. Opracowano specjalną wersję programu Ventgraph, która współpracuje z oprogramowaniem do symulacji metodą objętości skończonej. Podano przykład zastosowania metody dla rejonu ściany wydobywczej. Metodę objętości skończonej zastosowano dla końcowego odcinka chodnika podścianowego, samej ściany oraz początkowego odcinka chodnika nadścianowego. Dla pozostałych wyrobisk rejonu ściany zastosowano opis jednowymiarowy.

EN

Ventilation networks in deep mines are too large and complex to enable the simulation of the entire object by the finite volume method, moreover present day computers are not powerful enough, so selected sections of the network have to be modelled instead. In the case of stationary processes, the omitted regions can be replaced by boundary conditions. During the transients, however, dynamic properties of the omitted portions of the network may strongly influence the flow processes. In a solution presented here certain sub-regions of the network are determined, which require the most accurate description. This sub-region can be modelled by the finite volume method, using a 2D or 3D model. The remaining part of the ventilation network is modelled by a simple, 1D model so the entire network can be represented or its selected fragment only. The method was developed that enables concurrent simulation of non-stationary flows, enabling the data exchange between the simulation programs in the subsequent time steps to update the boundary conditions in zones connecting the sub-region requiring the most accurate description and the remaining parts of the ventilation network. This method is well applicable both to 1D quasi-static description used in the Ventgraph software and to a fuller 1D flow model of a mixture of ideal gases. The new version of the Ventgraph program was developed, which interacts with the finite volume simulation software. The method is then applied to investigation of the ventilation conditions in a longwall region. The finite volume method is applied to handle the final section of the maingate, the lonwall and the inlet section of the tailgate. The remaining parts of the longwall region are described by a 1D model.

13

Mean field homogenization in multi-scale modelling of composite materials

Ogierman W., Kokot G.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2013

|

Vol. 61, nr 2

343--348

EN

Purpose: The paper is focused on testing of the capabilities of the mean field homogenization scheme in numerical analysis of composite materials. Another goal of this research is an attempt of coupling of mean field homogenization procedure with finite element computations to carry out a multi-scale analysis Design/methodology/approach: This research is based on the application of the DIGIMAT software which is material modelling platform. The Mori-Tanaka homogenization scheme implemented in DIGIMAT code was applied to obtain the average composite’s mechanical properties. Additional aspect is coupling of DIGIMAT material modeller with finite element solver. Findings: Application of mean field homogenization allows to obtain the effective properties of heterogeneous material very efficiently. Process of assigning material parameters to each composite’s phase on the micro level is operative and fast. Coupling homogenization procedure with finite element solver leads to full multi-scale analysis where material nonlinearities can be taken into account Research limitations/implications: Mean field homogenization gives approximate results, therefore detailed stress and strain fields in microstructure can not be analysed. Practical implications: Methodology presented in present article shows efficient approach to finding effective composite properties and in addition allow to carry out nonlinear multi-scale analysis. Originality/value: The paper presents new methodology which is intensively developed in the field of numerical simulation of structures and materials. The material parameters are not treated as the constant input data, but are obtained as results of the material parameters modelling process on the micro-scale level.

14

Two-scale modelling of reactive powder concrete. Part I: representative volume element and solution of the corresponding boundary value problem

Denisiewicz A., Kuczma M.

Civil and Environmental Engineering Reports

|

2013

|

No. 10

41--61

EN

The article is the first part of a series concerned with the modelling of reactive powder concrete by using a numerical homogenization technique. This technique is a multi-scale modelling approach. Specifically, in this paper a two scale modelling concept was applied. A model of reactive powder concrete (RPC) is considered whose behaviour on the macro scale is described on the basis of the phenomena occurring in the microstructure of the material. This approach provides the ability to take into account some complex phenomena occurring in the microstructure and their influence on the macroscopic physical and mechanical properties of the material. The method does not require knowledge of the constitutive equation parameters at the macro level. These are determined implicitly for each load increment on the basis of numerical model of a representative volume element,(RVE), which reflects the geometrical layout of particular material phases, their constitutive relations and mutual interactions. In this paper the linearly elastic behaviour of each constituent material is assumed within the small strain range. In solving the boundary value problems formulated on the RVE for RPC, the finite element method was utilized. A number of numerical test examples were solved which illustrate the influence of inhomogeneities on the overall response.

PL

Artykuł jest pierwszą częścią pracy dotyczącej modelowaniu betonów z proszków reaktywnych przy zastosowaniu numerycznej homogenizacji. Technika ta jest podejściem wielkoskalowego modelowania. W tym konkretnym przypadku modelowania dwuskalowego. Zachowanie modelu betonu typu RPC w skali makro (skala punktu materialnego, poziom opisu fenomenologicznego) opisywane jest na podstawie zjawisk zachodzących w mikrostrukturze materiału (mikroskala). Takie podejście daje możliwość uwzględnienia szeregu zjawisk zachodzących w mikrostrukturze na właściwości fizyczne i mechaniczne materiału. Na przykład wpływ mikropęknięć na wytrzymałość betonu. Nie bez znaczenia jest fakt, że metoda nie wymaga znajomości równań konstytutywnych w skali makro, związki te są wyznaczane w sposób niejawny dla każdego przyrostu obciążenia na podstawie numerycznego modelu reprezentatywnego elementu objętościowego RVE. Do wyznaczenia niejawnych związków fizycznych w makroskali niezbędna jest znajomość geometrii mikrostruktury, równań konstytutywnych na poziomie skali mikro oraz ich parametrów. W tej pierwszej części pracy ograniczono się do sformułowania i rozwiązania zagadnienia brzegowego na poziomie mikroskali dla zadanych makronaprężeń na brzegu RVE. Opracowano własny program komputerowy, który generuje w sposób losowy mikrostrukturę RPC i rozwiązuje problem brzegowy zdyskretyzowany metodą elementów skończonych. Praca zawiera wyniki obliczeń zadań testowych.

15

Wybrane aspekty metodyki tworzenia wieloskalowych modeli numerycznych rejonu ściany

Krawczyk J., Janus J., Ostrogórski P.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2012

|

Vol. 14, no. 1-4

139--148

PL

Rozwijana w ramach numerycznej mechaniki płynów metoda objętości skończonej jest z coraz częściej stosowana do modelowania zagadnień przepływowych wentylacji kopalń. Jednak systemy wentylacyjne kopalń głębinowych są zbyt rozległe i złożone, by przy wydajności współczesnych komputerów prowadzić symulacje dla całych obiektów. Szczególnie dotyczy to procesów zmiennych w czasie. Ograniczenia te powodują, że są modelowane wybrane fragmenty sieci. Dla procesów stacjonarnych pominięte obszary mogą być zastąpione przez warunki na brzegach. Podczas stanów przejściowych dynamiczne własności pominiętych obszarów sieci mogą mieć istotny wpływ na przebieg zjawiska. Skutecznym rozwiązaniem może być uzupełnienie modelu o prostszy opis dynamiki pominiętego obszaru. W ten sposób mogą być tworzone wieloskalowe modele łączące na przykład jedno i trójwymiarowy opis. Prowadzi to do optymalnej reprezentacji obiektu – szczegółowej dla obszarów krytycznych dla badanych procesów i uproszczonej dla obszarów o mniejszym wpływie. Podobne ograniczenia dotyczą wielu analogicznych dziedzin takich jak wentylacja tuneli czy przepływy w instalacjach reaktorów atomowych, dla których już od kilku lat zaleca się i stosuje wieloskalowe modele. Przy łączeniu różnych jakościowo opisów należy sformułować metody wymiany danych oraz dokonać praktycznej ich implementacji w oprogramowaniu. Przedstawiono wynik studiów literaturowych i prac koncepcyjnych ukierunkowanych na wdrożenie i efektywne wykorzystanie metodyki łączenia modeli numerycznych.

EN

The finite volume method within the framework of the CFD is widely applied in modelling of flow phenomena in mine ventilation. However, ventilation networks in underground mines are typically expanded and complicated and the computation power of currently available computers proves insuffi cient to simulate the behaviour of entire objects, particularly when handling time-variant phenomena. Simulations, therefore, involve selected fragments of ventilation network only. In the case of stationary processes, the omitted areas can be replaced by the boundary conditions. For transients, however, dynamic properties of omitted areas may strongly impact on the involved processes. To overcome this difficulty, the model should incorporate a simpler description of dynamics of the omitted area and thus multi-scale models can be created to connect the 1D and 3D descriptions, yielding the optimal representation of the object to provide a detailed description of critical areas and simplified one for less significant regions. Similar restrictions apply to other analogous fields, such as tunnel ventilation or flows in installations of nuclear reactors, where multi-scale models have been recommended and effectively used for years. When combining qualitatively different descriptions, utmost care should be taken to formulate the methods of data exchange to enable their practical implementation in dedicated software. The work provides the survey of literature and of conceptual works targeted at implementation and effective utilisation of methodology of numerical model integration.

16

Modelowanie wieloskalowe systemu procesowego. Numeryczne badania wstępne

Zakrzewska B., Baniukiewicz P., Jaworski Z.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2010

|

Nr 3

119-120

PL

Zaprezentowano pierwsze badania numeryczne dotyczące integracji programów: do symulacji procesów (Aspen Plus) i numerycznej dynamiki płynów (Fluent). Stworzono interfejs Cape2Fluent do zarządzania przekazywaniem danych pomiędzy programami w oparciu o standardy CAPE-OPEN. W wyniku jego zastosowania możliwe było stworzenie wieloskalowego systemu procesowego, w którym kluczowy aparat modelowany jest za pomocą modelu CFD.

EN

The first investigation stage to integrate two packages: for process simulation (Aspen Plus) and for computational fluid dynamics (Fluent) was presented. A new interface called Cape2Fluent was created for controlling data transfer between the two packages based on CAPE-OPEN standards. The application resulted in creating a multiscale process system which involved a key unit modelled by the CFD method.

17

Wieloskalowe modelowanie procesu kucia odkuwek ze stopu CuCr

Madej Ł.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2009

|

R. 54, nr 11

754-758

PL

Opracowanie i wdrożenie technologii kucia odkuwek ze stopów CuCr jest tematem badań naukowych podejmowanych ostatnio w wielu ośrodkach. Numeryczna symulacja odgrywa w tych badaniach ważną rolę. Warunkiem wykonania symulacji poprawnie odzwierciedlającej rzeczywisty proces kucia jest opracowanie realistycznego modelu reologicznego odkształcanego materiału. W ramach niniejszej pracy podjęto próbę wykorzystania opracowanego przez Autora modelu wieloskalowego typu CAFE do analizy zachowania się miedzi chromowej w czasie kucia na gorąco. Model uwzględnia wpływ mikropasm i pasm ścinania na charakter płynięcia materiału. W pracy podjęto próbę wykorzystania tego modelu do wyjaśnienia przyczyn oscylacyjnego charakteru odpowiedzi badanego stopu na obciążenie mechaniczne. Ponadto drugim celem pracy było wykonanie symulacji procesu kucia wybranej odkuwki ze stopu CuCr i wyznaczenie stref o dużym udziale mikropasm i pasm ścinania. W artykule przedstawiono porównanie wyników symulacji z wykorzystaniem modelu wieloskalowego oraz modelu konwencjonalnego.

EN

The development and application of the hot forging technologies for CuCr alloys is the field of research in several laboratories. Application of the numerical simulation is an important tool aiding this research. Appropriate rheological model is the key element during simulation. The main subject of this work is development of the multi scale material model based on Cellular Automata (CA) and Finite Element (FE) methods. This model takes into account development of microshear bands and shear bands during deformation. The model is applied in this work to investigate whether microshear bands can result in the oscillatory character of the flow stress response during forging. Regions with high density of microshear bands were identified. Results of numerical simulations based on conventional and CAFE model are also compared in this paper.

18

Recent developments in numerical homogenization

Boso D. P., Lefik M., Schrefler B. A.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2009

|

Vol. 16, No. 3/4

161-183

EN

This paper deals with homogenization of non linear fibre-reinforced composites in the coupled thermo-mechanical field. For this kind of structures, i.e. inclusions randomly dispersed in a matrix, the self consistent methods are particularly suitable to describe the problem. Usually, in the framework of the self consistent scheme the homogenized material behaviour is obtained with a symbolic approach. For the non linear case, that method may become tedious. This paper presents a different, fully numerical procedure. The effective properties are determined by minimizing a functional expressing the difference (in some chosen norm) between the solution of the heterogeneous problem and the equivalent homogenous one. The heterogeneous problem is solved with the Finite Element method, while the second one has its analytical solution. The two solutions are written as a function of the (unknown) effective parameters, so that the final global solution is found by iterating between the two single solutions. Further, it is shown that the considered homogenization scheme can be seen as an inverse problem and Artificial Neural Networks are used to solve it.

19

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.

20

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.