Dedykowany system symulacji DEFFEM

Highlights

  • Computational system dedicated for coopration with Gleeble 3800 physical simulator
  • In-house, highly-adaptive numerical code
  • No external (commercial) modelling software necessary
  • Capabilities:
    • hot forming
    • solidification
  • 3D rigid-plastic FEM-based mechanical solver, 3D thermal FEM-based solver, Monte-Carlo based microstructure model

The aim of DEFFEM System

Pakiet symulacyjny DEFFEM opracowywany jest zgodnie z zaproponowaną przez filozofią projektowania ONEDES (ONEDEcisionSoftware) [1]. Opiera się ona na założeniu implementacji numerycznej zestawu niezależnych modułów wchodzących w skład pakietu DEFFEM w pełni zintegrowanej z symulatorem Gleeble, bez konieczności wspierania się rozwiązaniami komercyjnymi.

Rys. 1. Koncepcja zintegrowanego modelowania jako podstawa warsztatu naukowego
zorientowanego na procesy wysokotemperaturowe

Scientific background

Obecna wersja pakietu DEFFEM oferuje bardzo duże możliwości w kwestii adaptacji kodów numerycznych do wyspecyfikowanych zadań. W dużej mierze dotyczy to głównie zmiany warunków brzegowych, zaimportowanie siatki definiującej nowy obszar obliczeniowy, czy też stabilizacji rozwiązania numerycznego. W kontekście prac rozwojowych prowadzonych z wykorzystaniem metod bezsiatkowych (na obecnym etapie jest to metoda cząstek rozmytych) dedykowanych zagadnieniom przepływu płynów, czy też procesom krzepnięcia (sprzężone zagadnienie przepływu i zjawisk cieplnych) możliwości aplikacyjne dotyczą między innymi symulacji krzepnięcia w aspekcie identyfikacji potencjalnych defektów w objętości krzepnącego materiału. Na Rys. 2 przedstawiono przykładowy rozkład temperatury w objętości próbki wraz z przykładową makrostrukturą próbki po procesie przetapiania.

Rys. 2. Rozkład temperatury na przekroju poprzecznymi próbki po zakończonym procesie krzepnięcia z widocznymi defektami w objętości próbki oraz przykładowa makrostruktura próbki po procesie przetapiania

Symulację przetapiania połączonego z krzepnięciem zrealizowano w oparciu o metodykę realizacji eksperymentu w układzie symulatora termo-mechanicznego Gleeble 3800 [1]. Przeprowadzony cykl badań połączony z badaniami makro i mikrostrukturalnymi wskazywał na bardzo dużą niejednorodność pola temperatury w objętości próbki [1]. Efektem krzepnięcia rdzenia próbki było formowanie się w środku jej objętości strefy porowatej (defektów). Jak wykazały testowe symulacje, możliwości metody cząstek rozmytych pod kątem m.in. identyfikacji defektów są bardzo obiecujące.  Konieczne są dalsze badania pod kątem określania płaszczyzn referencyjnych na podstawie których będzie można dokładnie zweryfikować możliwości solvera cząstek pod kątem indentyfikacji obszarów defektów. Bardzo pomocna przy tego typu badaniach weryfikacyjnych będzie metodyka badań tomograficznych przedstawiona w pracy [1]. Dalsze możliwości aplikacyjne solvera cząstek dotyczą możliwości symulacji przepływu płynu w mezoskali struktury porowatej. Na Rys.3 przedstawiono wygenerowaną strukturę porowatą o wskaźniku porowatości udziału fazy stałej równej 30% i fazy ciekłej równej 70% dla 100000 cząstek. Wskaźnik porowatości definiowany jest jako zależność [1- (liczba cząstek struktury/liczba wszystkich cząstek)]. Kolejnymi przykładami możliwości solvera metody cząstek są symulacje przepływu płynów w interakcji z obiektami (Rys. 4), czy też mieszanie płynów  z uwzględnieniem zjawisk termicznych i kontaktowych [6]. Opcjonalnie uwzględnienia np. gazów po zaimplementowaniu odpowiednich równań stanów. Równolegle z rozwijanym solverem metody cząstek, realizowane są prace rozwojowe nad solverem bazującym na rozwiązaniach metody elementów skończonych.

Rys. 3. Wygenerowana struktura dla przepływu
płynu w mezoskali
Rys. 4. Pole prędkości wybranego etapu przepływu płynu w interakcji z obiektem

Obecna wersja solvera bazuje na trójwymiarowym modelu sztywno-plastycznym dla rozwiązania mechanicznego, oraz równaniu Fouriera dla analiz zjawisk termicznych [1]. Całość rozwiązania uzupełnia model konstytutywny uwzględniający między innymi wpływ udziału fazy ciekłej na wartość naprężenia uplastyczniającego, model funkcyjny nagrzewania oporowego oraz model mikro rozrostu ziarna oparty o metodę Monte Carlo [2]. Ze względu na bardzo duże możliwości aplikacyjne modelu sztywno-plastycznego, w szczególności
w kontekście procesów wysokotemperaturowych i samego formowania na gorąco z dużymi odszktałceniami, możliwości aplikacyjne są bardzo szerokie. Przykładem sprzężonych zagadnień termo-mechanicznych mogą być symulacje nagrzewania oporowego w układzie symulatora Gleeble 3800 (Rys.5) połączone np. z odkształceniem (Rys.6), czy też symulacje procesu soft-reduction połączonego z walcowaniem (5).

 

Rys. 5. Rozkład temperatury po 10 sekundach nagrzewania oporowego

w układzie symulatora Gleeble (temperatura powierzchni 198.286°C, stal S355 )

Rys. 6. Rozkład odkształcenia, składowa Z tensora

( odkształcenie w temperaturze nominalnej 1400°C, stal S355 )

Aktualnie prowadzone prace nad rozwojem solvera metody elemntów skończonych ukierunkowane są na rozwój procedur i algorytmów wykrywania automatycznego kontaktu. Opracowane algorytmy umożliwią w przyszłości symulacje formowania w trójwymiarowym stanie odkształceń na gorąco z zastosowaniem złożonych geometrycznie narzędzi.

Contact person:

PhD. MArcin Hojny, mhojny(at)metal.agh.edu.pl

Connected scientific papers:

Connected projects:

  • Polish National Science Centre, Decision number: DEC-2011/03/D/ST8/04041, TYTUŁ itd.