System komputerowy do modelowania zjawisk termomechanicznych w krzepnących odlewach

Na stronie tej zawarte są informacje o projekcie badawczym pt. "System komputerowy do modelowania zjawisk termomechanicznych w krzepnących odlewach" wykonywanym w Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej Politechniki Częstochowskiej w latach 2003-2006.

Informacje ogólne
Cel projektu
Harmonogram wykonania projektu
Publikacje

Informacje ogólne

Typ projektu własny
Numer projektu 4 T08B 032 24
Finansowany przez Komitet Badań Naukowych
Termin realizacji od 27-05-2003 do 26-05-2006
Wykonawcy dr hab. inż. Norbert Sczygiol, prof. P.Cz. (IITiS, P.Cz.) - kierownik projektu
prof. dr hab. inż. Ryszard Parkitny (IMiPKM, P.Cz.)
dr hab. inż. Roman Wyrzykowski (IITiS, P.Cz.)
dr inż. Maciej Kowalczyk (IPPT, PAN)
dr inż. Arkadiusz Nagórka (IITiS, P.Cz.)
dr inż. Grzegorz Szwarc (IITiS, P.Cz.)
mgr Elżbieta Gawrońska (IITiS, P.Cz.)
mgr inż. Tomasz Olas (IITiS, P.Cz.)
inż. Tamara Biecek (IMC, P.Cz.)

Cel projektu

Projekt dotyczy modelowania numerycznego zjawisk cieplnych i mechanicznych zachodzących podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewów. Szczególna uwaga zostanie zwrócona na uwzględnienie sprzężeń między tymi zjawiskami w modelach numerycznych. Do realizacji numerycznej opracowanych modeli użyta zostanie metoda elementów skończonych. W ramach projektu przewiduje się również wykonanie badań eksperymentalnych, polegających na pomiarze przebiegów temperatury oraz analizie mikrostruktury odlewanej Opracowane modele, algorytmy oraz moduły programu komputerowego pozwolą na wykonywanie obliczeń sekwencyjnych, rozproszonych i równoległych.

Model krzepnięcia opracowany zostanie w oparciu o dwa sformułowania entalpowe podstawowe sformułowanie entalpowe oraz jawne sformułowanie pojemnościowe Modele krzepnięcia dla stopów dwuskładnikowych zostaną rozwinięte tak, aby można je było stosować także dla stopów trójskładnikowych Opracowane zostaną specjalne poprawki zapewniające otrzymywanie poprawnych rozwiązań dla ziaren o dowolnym kształcie (obecnie istnieje taka poprawka tylko dla ziaren płaskich). Pozwoli to na efektywne modelowanie mikrostruktury odlewanej.

Model obliczania naprężeń w odlewach będzie uwzględniał termo-spręzysto-plastyczne zachowanie się materiału odlewu i formy odlewniczej. Szczególny nacisk zostanie zwrócony na modelowanie oddziaływań mechanicznych zachodzących pomiędzy odlewem i forma odlewniczą. W oddziaływaniach tych uwzględnione zostaną siły tarcia. Własności mechaniczne potrzebne do wyznaczania naprężeń w krzepnących odlewach otrzymywane będą z odpowiednich symulacji komputerowych rozciągania próbek znajdujących się w stanie stało-ciekłym. Pozwoli to na obliczanie naprężeń od chwili utworzenia się spójnego szkieletu fazy stałej.

Ponieważ zarówno tworząca się szczelina skurczowa, ale także zaciskanie się odlewu na formie odlewniczej, wpływają znacznie na wymianę ciepła między poszczególnymi podobszarami, dlatego opracowany zostanie model obliczeń sprzęgający efekty cieplne z efektami mechanicznymi. Opracowane zostaną nowe algorytmy adaptacyjne, pozwalające na właściwe dostosowanie siatek elementów skończonych (wielkości elementów skończonych lub stopni wielomianów aproksymujących w wyróżnionych obszarach)

Ponieważ przy rozwiązywaniu dużych zagadnień (szczególnie 3D) zastosowanie pojedynczego komputera (procesora) może okazać się niewystarczające z uwagi na ograniczenia czasowe lub pamięciowe, opracowane zostaną algorytmy i metody pozwalające na równoległą realizację symulacji krzepnięcia w sieciach stacji roboczych i klastrach komputerów PC. Klaster taki został zbudowany w roku ubiegłym w Instytucie Matematyki i Informatyki Politechniki Częstochowskiej. Sieci oraz klastry, dzięki możliwości wykorzystania najnowszych osiągnięć w dziedzinie mikroprocesorów oraz technologii komunikacyjnych powszechnego zastosowania, stały się rozsądną alternatywa w stosunku do bardzo kosztownych superkomputerów o architekturze równoległej.

Specjalna uwaga zostanie zwrócona na opracowanie nowych algorytmów zrównoleglania obliczeń metody elementów skończonych, pozwalających dostosować organizację przetwarzania zarówno do specyfiki obszaru zastosowań, jak i właściwości platformy realizacyjnej obliczeń. Szczególnie obiecująca wydaje się być propozycja opracowania metod optymalizacji wydajności solwerów układów równań liniowych, które powstają w metodzie elementów skończonych, z uwzględnieniem właściwości architektury mikroprocesorów typu RISC stosowanych we współczesnych stacjach roboczych i klastrach. Dopiero bowiem maksymalnie możliwe wykorzystanie dużych rezerw tkwiących w wydajności pojedynczego komputera (procesora) uzasadnia nieodzowność sięgnięcia do zaawansowanych technik przetwarzania rozproszonego i równoległego. Rozwinięte zostaną także metody tworzenia aplikacji równoległych z wykorzystaniem techniki obiektowej Dla wydzielonej klasy zagadnień numerycznych kombinacja tych dwóch podejść pozwoli na połączenie wydajności przetwarzania aplikacji równoległych z łatwością ich tworzenia i rozbudowy.

Harmonogram wykonania projektu

31-05-2004
  1. Modelowanie numeryczne krzepnięcia
    • Entalpowe modele krzepnięcia
    • Aproksymacja entalpii dla stopów dwuskładnikowych
    • Aproksymacja entalpii dla stopów trójskładnikowych
    • Obliczenia testujące dla zadań 2D
  2. Modelowanie numeryczne naprężeń w odlewach
    • Model matematyczny i numeryczny stanów sprężysto-plastycznych w krzepnących odlewach
    • Model oddziaływań mechanicznych między odlewem i formą odlewniczą dla stanu termosprężystego
    • Obliczenia testujące dla zadań 2D
  3. Równolegle modelowanie krzepnięcia
    • Algorytm MES do równoległego modelowania krzepnięcia w sieciach stacji roboczych
    • Obiektowy model równoległego modelowania krzepnięcia z wykorzystaniem MES
    • Metody oceny przydatności różnych środowisk programowo-sprzętowych z punktu widzenia realizacji modelowania w sieciach stacji roboczych
31-05-2005
  1. Modelowanie numeryczne krzepnięcia
    • Obliczenia testujące krzepnięcia dla zadań 3D
    • Modele numeryczne struktur odlewanych
    • Symulacje numeryczne powstawania struktur odlewanych
  2. Modelowanie numeryczne naprężeń w odlewach
    • Model matematyczny i numeryczny stanów termo-sprężysto-plastycznych w krzepnących odlewach
    • Model oddziaływań mechanicznych między odlewem i formą odlewniczą dla stanu termo-sprężysto-plastycznego
    • Obliczenia testujące dla zadań 2D
    • Podstawy matematyczne metod adaptacyjnych
  3. Realizacja równoległa obliczeń numerycznych krzepnięcia
    • Algorytmy zrównoleglenia obliczeń MES w modelowaniu krzepnięcia z wykorzystaniem metody dekompozycji obszaru na poziomie matematycznego modelu zagadnienia
    • Metody adaptacyjnej organizacji obliczeń z uwzględnieniem niejednorodności przebiegu modelowanych procesów w przestrzeni i czasie
    • Opracowanie metody oceny wydajności obliczeń MES w sieciach stacji roboczych i ich eksperymentalna weryfikacja
26-05-2006
  1. Modelowanie numeryczne naprężeń w odlewach
    • Zastosowanie metod adaptacyjnych
    • Obliczenia testujące dla zadań 3D
    • Model numeryczny uwzględniający sprzężenie pól temperatury i pól naprężeń podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu
  2. Sprzężenie zjawisk cieplnych i mechanicznych w stadium krzepnięcia odlewu
    • Symulacje numeryczne uwzględniające sprzężenie pól temperatury, pól naprężeń i oddziaływania mechaniczne dla zadań 2D
    • Symulacje numeryczne uwzględniające sprzężenie pól temperatury, pól naprężeń i oddziaływania mechaniczne dla zadań 3D
  3. Równoległa generacja siatek ES i optymalizacja wydajności rozwiązywania układów równań
    • Algorytmy równoległej generacji i dekompozycji siatek ES
    • Metody optymalizacji wydajności solwerów układów równań liniowych z uwzględnieniem architektury mikroprocesorów typu RISC stosowanych we współczesnych stacjach roboczych
    • Opracowanie graficznego interfejsu do szybkiego tworzenia aplikacji do równoległego modelowania krzepnięcia w sieciach stacji roboczych

Publikacje

  1. N. Sczygiol, A. Nagórka, An hp-adaptive finite element method for the solidification problem based on explicit residual error estimates. 15th International Conference on Computer Methods in Mechanics CMM-2003, Gliwice-Wisła, June 3-6, 2003, pp. 313-314. (pełna publikacja (10 stron) na CD)
  2. N. Sczygiol, G. Szwarc, Modelling of elastoplastic thermal stresses in castings in semi-solid state with microstructure taken into consideration. 15th International Conference on Computer Methods in Mechanics CMM-2003, Gliwice-Wisła, June 3-6, 2003, pp. 315-316. (pełna publikacja (10 stron) na CD)
  3. N. Sczygiol, A. Nagórka, Adaptive finite element simulations of solidification with mesh refinement and automatic time-step selection. Adaptive Modeling and Simulation. Proceedings of the First International Conference on Adaptive Modeling and Simulation ADMOS2003, Geteborg (Sweden), 29.09-1.10.2003, pp. 33-34. Published by CIMNE, Barcelona, Spain 2003. (pełna publikacja (29 stron) na CD)
  4. N. Sczygiol, G. Szwarc, Analiza numeryczna skłonności do pękania na gorąco odlewów o równoosiowej strukturze wewnętrznej. IV Krajowa Konferencja "Metody i systemy komputerowe w badaniach naukowych i projektowaniu inżynierskim". Kraków, 26-28.11.2003, pp. 787-792.
  5. N. Sczygiol, E. Gawrońska, Zastosowanie mieszanego kroku czasowego do modelowania krzepnięcia, Materiały XI konferencji "Informatyka w Technologii Metali - KomPlasTech'2004", Zakopane, 11-14.01.2004, pp. 239- 246.
  6. G. Szwarc, N. Sczygiol, Nowe kryterium oceny skłonności odlewów do pękania na gorąco, Materiały XI konferencji "Informatyka w Technologii Metali - KomPlasTech'2004", Zakopane, 11-14.01.2004, pp. 331-338.