chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2017-18-3-15-27cheb-345Research ArticleСтатьиArticleИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ ФИДЕСИС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ БОЛЬШИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ДИСКЕMODELING THE DEVELOPMENT OF LARGE PLASTIC DEFORMATIONS IN A ROTATING DISK IN THE FIDESYS PROGRAMАбрамовС. М.AbramovS. M.

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук, директор 

doctor of physical and mathematical sciences, professor,  corresponding member of the Russian Academy of Sciences, director of PSI RAS

abram@botik.ruАмелькинС. А.Amel’kinS. A.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, руководитель исследовательского центра системного анализа

candidate of technical sciences, senior researcher, head of the  system analysis research center, Organization

sergey.a.amelkin@gmail.comКлюевЛ. В.KljuevL. V.

кандидат технических наук, генеральный директор 

candidate of technical sciences, General Manager

l.klyuev@immers.ruКрапивинК. Ю.KrapivinK. Ju.

ведущий программист-алгоритмист

Leading programmer-algorithmist 

krapivin@saldlab.comНожницкийЮ. А.NozhnickijJu. A.

доктор технических наук, заместитель генерального директора — директор  исследовательского центра динамика, прочность, надежность, начальник  отделения динамика и прочность авиационных двигателей 

doctor of technical sciences, deputy general director — director of the research center dynamics, strength, reliability, head of the department dynamics and strength of  aircraft engines of the Central Institute

nozhnitsky@ciam.ruСерветникА. Н.ServetnikA. N.

начальник сектора Государственного научного центра 

chief of the sector of the state scientific center of the Central Institute

servetnik@ciam.ruЧичковскийА. А.ChichkovskijA. A.

директор по развитию

Deputy Director

chaa14@gmail.comИнститут программных систем имени А. К. Айламазяна РАНРоссияOrganization of Russian Academy of Sciences Program Systems Institute of RASRussian FederationИнститут программных систем имени А. К. Айламазяна РАНРоссияRussian Academy of Sciences Program Systems Institute of RASRussian FederationООО “ИММЕРС”РоссияIMMERS LtdRussian FederationООО ФидесисРоссияFidesys LLCRussian FederationЦентральный институт авиационного моторостроения имени П. И. БарановаРоссияAviation Motors named after P. I. BaranovaRussian FederationЦентральный институт авиационного моторостроения имени П. И. БарановаРоссияAviation Motors named after P. I. BaranovRussian FederationООО “ИММЕРС”РоссияIMMERS Ltd.Russian Federation2017311220171831527Copyright © Абрамов С.М., Амелькин С.А., Клюев Л.В., Крапивин К.Ю., Ножницкий Ю.А., Серветник А.Н., Чичковский А.А., 20172017Абрамов С.М., Амелькин С.А., Клюев Л.В., Крапивин К.Ю., Ножницкий Ю.А., Серветник А.Н., Чичковский А.А.Abramov S.M., Amel’kin S.A., Kljuev L.V., Krapivin K.J., Nozhnickij J.A., Servetnik A.N., Chichkovskij A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/345

В статье приводится конечно-элементный анализ локализации пластических деформаций в  области разрушения модельного диска при вращении. При определенной угловой скорости  вращения диска экспериментально замечается «утяжка». Данный эффект возникает при потери материальной устойчивости, является аналогом известного образования «шейки»  при растяжении образцов. В силу конечности наблюдаемых экспериментальных  перемещений и для обнаружения эффекта «утяжки» в численном эксперименте уравнения  равновесия интегрируются с учетом конечности деформаций. Модельный расчет проведен в  квазистатической постановке с пошаговым увеличением частоты вращения. Пластическое  поведение металллического сплава материала диска описывается согласно предельной  поверхности Губера-Мизеса. Материальные параметры, используемые в расчете  определены из экспериментальной кривой растяжения образца. Определяющие упругопластические соотношения записаны в конечных деформациях с мультипликативной  декомпозицией деформационного градиента на упругую и пластическую компоненты. При полностью пластическом деформировании металлов в силу постоянства первого инварианта  пластических деформаций процесс деформирования близок к изохорному. В таких случаях  линейные изопараметрические конечные элементы проявляют эффект «объемного  локинга», искажающий численный результат. В силу этого в вычислениях используем  двадцати-узловые объемные конечные элементы второго порядка, которые указанной  особенностью не обладают Вычисления проведены на аппаратно — программном комплексе  ИММЕРС — Фидесис. Исследована энерго- и шумо- эффективность кластера в распределенных вычислениях. В заключении статьи приводятся сравнение численных  результатов с экспериментальными данными и уровень энерго-эффективности кластера.

The paper presents a finite element analysis of the localization of plastic deformations in the region of fracture of the model disk  during rotation. At a certain angular velocity of rotation of the disk,  an "ejection"is observed experimentally. This effect occurs when the  material stability is lost, is analogous to the known "necking"in the  specimen tension. In view of the finiteness of the observed  experimental displacements and for the detection of the  "tightening"effect in a numerical experiment, the equilibrium  equations are integrated taking into account the finite deformations.  The model calculation was carried out in a quasi-static setting with a  step-by-step increase in the rotational speed. The plastic behavior of  the metal alloy of the disk material is described according to the  Huber-Mises limit surface. The material parameters used in the calculation are determined from the experimental tension curve of the sample. Elasto-plastic governing relations are used in finite  deformations with a multiplicative decomposition of the deformation  gradient into the elastic and plastic components. In fully plastic  deformation of metals, due to the constancy of the first invariant of  plastic deformations, the process of deformation is close to isochoric. In such cases, linear isoparametric finite elements show the effect of “volumetric locking which distorts the numerical result. Therefore, in  calculations we use twenty-node volume finite elements of the second order, which have no specific feature. The calculations were carried out on the IMERS-Fidesis hardware-software complex. The  energy and noise efficiency of a cluster in distributed computations is studied. The article concludes by comparing the numerical results  with the experimental data and the energy efficiency level of the cluster.

конечно-элементный анализмультипликативная пластичностьконечные деформациивысокопроизводительный вычислительный кластерfinite-element analysismultiplicative plasticityfinite strainsHPC cluster.ReferencesНормы летной годности двигателей воздушных судов. АП-33, 2012 г.(2012), "Normy letnoi godnosti dvigateley vozdushnih sudov. AP-33"[Airworthiness of aircraft engines. AR-33].Ю.А. Ножницкий, Ю.А. Федина, Д.В. Шадрин, Серветник А.Н. и др. Новые возможности применения разгонных стендов для обеспечения прочностной надежности газотурбинных двигателей // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. №3 (14). Часть 1. С.71-86.Nozhnitsky, Y.A., Fedina, Y.A., Shadrin, D.V., Servetnik A.N. (eds) (2015), "New possibilities of using spin rigs to provide gas turbine engine strength reliability Vestnik of the Samara State Aerospace University, Vol.14, no.3, part 1, pp. 71-87.Servetnik A. Energy-based method for gas turbine engine disks burst speed calculation. 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS2012), Brisbane, 2012 [электронный ресурс] URL: http://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2012/PAPERS/888.PDF.Servetnik, A.N. (2012), "Energy-based method for gas turbine engine disk burst speed calculation 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences 2012, ICAS 2012, Brisbane, Australia, 23-28 September 2012, pp. 2443-2448.Nozhnitsky Yu, Karimbaev K., Servetnik A. Numerical simulation of spin testing for turbo machine disks using energy-based fracture criteria. ASME TURBO EXPO, Copenhagen, 2012 [Электронный ресурс], URL http://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2012/PAPERS/340.PDFNozhnitsky, Yu.A., Karimbaev, K.D. and Servetnik, A.N. (2012), "Numerical Simulation of Spin Testing for Turbo Machine Disks Using Energy-based Fracture Criteria Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2012, Copenhagen, Denmark, 11-15 June 2012, Vol.7, pp. 35-40.Кузьмин Е.П., Серветник А.Н. Исследование поверхности нагружения материалов дисков газотурбинных двигателей при разгонных испытаниях модельных дисков // Наука и образование. 2014. №5. C.330-336. DOI: 10.7463/0514.0710005.Kuzmin, E.P. and Servetnik, A.N. (2014), "Yield surface investigation of alloys during model disk spin tests Science and Education: Scientific Publication, no.5, pp. 330-339.Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Термопрочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. 454 с.Birger, I.A., Shorr, B.F. (eds) (1975), Termoprochnost detaley mashin [Thermal strength of machine parts], Mashinostroenie, Moscow, Russia.Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Изд-во иностр. лит.Nadai, A. (1963), Theory of Flow and Fracture of Solids, Vol. 2, McGraw-Hill, New York, P. 705.Simo J. C., Hughes T. J. R. Computational Inelasticity. Vol. 7 — Springer Verlag, New York, 1998. — P. 392.Simo, J. C. and Hughes, T. J. R. (1998), Computational Inelasticity, Vol. 7, Springer Verlag, New York, P. 392.Система прочностного анализа Fidesys, [электронный ресурс] URL http://www.cae-fidesys.comThe Fidesys system for strength analysis. Available at: http://www.caefidesys.com.Высокопроизводительная вычислительная система IMMERS 6R6, [электронный ресурс] URL: http://immers.ru/sys/immers6r6/High-performance computing system IMMERS 6R6. Available at: http://www.immers.ru/sys/immers6r6Левин В. А., Калинин В.В., Зингерман К.М., Вершинин А.В. Развитие дефектов при конечных деформациях. Компьютерное и физическое моделирование. / Под ред. В.А Левина. – М., Физматлит, 2007. – 392 с.Levin, V.A., Kalinin, V.V., Zingerman, K.M. and Vershinin, A.V. (2007), Growth of defects under finite strains.Computer simulation and physical modelling. Ed. by V.A. Levin. Fizmatlit, Moscow.Левин В. А., Вершинин А. В. Численные методы. Параллельные вычисления на ЭВМ Т.2 (Нелинейная вычислительная механика прочности. Цикл монографий в 5 томах под. ред. В.А. Левина). — ФИЗМАТЛИТ Москва, 2015. — С. 544.Levin, V.A. and Vershinin, A.V. (2015), Numerical methods. Parallel computing. Vol.2 (Nonlinear computational strength mechanics. Series of monographs. Ed. by V.A. Levin). Fizmatlit, Moscow.Морозов Е. М., Левин В. А., Вершинин А. В. Прочностной анализ. Фидесис в руках инженера. — ИЗДАТЕЛЬСКАЯ ГРУППА URSS Москва, 2015. — С. 408.Morozov, E.M., Levin, V.A. and Vershinin, A.V. (2015), Strength analysis. Fidesys in the hands of an engineer. URSS, Moscow.Zingerman K. M., Vershinin A. V., Levin V. A. An approach for verification of finite- element analysis in nonlinear elasticity under large strains // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2016. — Vol. 158. — P. 012104.Zingerman, K.M., Vershinin, A.V. & Levin V.A. (2016), “An approach for verification of finite-element analysis in nonlinear elasticity under large strains”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 158, no. 012104Numerical analysis of the stress concentration near holes originating in previously loaded viscoelastic bodies at finite strains / V. A. Levin, K. M. Zingerman, A. V. Vershinin et al. // International Journal of Solids and Structures. — 2013. — Vol. 50, no. 20-21. — P. 3119–3135.Levin, V.A., Zingerman, K.M., Vershinin, A.V., Freiman, E.I. & Yangirova A.V. (2013), “Numerical analysis of the stress concentration near holes originating in previously loaded viscoelastic bodies at finite strains”, International Journal of Solids and Structures, Vol. 10, no. 50(20-21), pp. 3119-3135, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2013.05.019Об использовании полнофункциональной CAE Fidesys при разработке инновационных изделий ОПК / А. В. Вершинин, В. А. Левин, Е. В. Комолова и др. // Межотраслевая информационная служба. — 2013. — № 4. — С. 38–40.Vershinin, A.V., Levin, V.A., Komolova, E.V. (eds) (2013), "Use of fully functional CAE Fidesys for the development of innovative parts for defence industry Mezhotraslevaya informacionnaya sluzhba. No. 4. pp. 38-40.Левин В. А., Вершинин А. В. Промышленный пакет для прочностного инженерного анализа // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань 20-24 августа 2015 г. Сборник докладов. 4480с. — Издательство Казанского (Приволжского) федерального университета Казань, 2015. — С. 2281–2283.Levin, V.A. and Vershinin, A.V. (2015), "Industrial package for engineering strength analysis Trudy XI Vserossiyskogo s’yezda po fundamental’nym problemam teoreticheskoy i prikladnoy mechaniki (Proc. XI All-Russian Congress on theoretical and applied mechanics), Kazan, 2015. P. 2281–2283.Sparsh Mittal and Jeffrey S. Vetter, 2013. A Survey of CPU-GPU Heterogeneous Computing Techniques. ACM Comput. Surv. X, Y, Article 1 (February 2015)Sparsh, M. and Jeffrey, S. V. 2015 “A Survey of CPU-GPU Heterogeneous Computing Techniques ACM Comput. Surv. Vol. 47, no. 4, Article No. 69, doi: 10.1145/2788396.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.