Parallel Processing Strategy for Solving the Thermal-Mechanical Coupled Problem Applied to a 4D System using the Finite Element Method

Estrategia de procesamiento paralelo para la solución del problema térmico-mecánico acoplado aplicado a un sistema 4D utilizando el método de elemento finito

Victor E. Cardoso-Nungaray, Miguel Vargas-Félix, and Salvador Botello-Rionda

Computational Sciences Department, Centro de Investigación en Matemáticas A.C., Jalisco S/N, Col. Valenciana, 36240, Guanajuato, Gto., Mexico. victorc@cimat.mx, miguelvargas@cimat.mx, botello@cimat.mx

Article received on 10/02/2013;
accepted on 20/07/2013.

Abstract

We propose a high performance computing strategy (HPC) to simulate the deformation of a solid body through time as a consequence of the internal forces provoked by its temperature change, using the Finite Element Method (FEM). The program finds a solution of a multi-physics problem, solving the heat diffusion problem and the linear strain problem for homogeneous solids at each time step, exchanging information between both solutions to simulate the material distortion. The HPC strategy approach parallelizes vector and matrix operations as well as system equation solvers. The tests were realized over a model simulating a car braking system (a rotating disk velocity decreased by friction). Then we performed a quantitative analysis of stress, strain and temperature in some points of the geometry, and a qualitative analysis to show some visualizations of the simulation.

Keywords: Parallel computing, HPC, simulation, FEM, finite element, thermal-mechanical coupled problem, dynamic analysis, heat distortion.

Resumen

Utilizando el Método de Elemento Finito (FEM), se propone una estrategia de cómputo de alto rendimiento (HPC) para simular dinámicamente la deformación causada por las fuerzas internas de un cuerpo sólido, como consecuencia del cambio de su temperatura. El programa resuelve un problema de multifísica, ya que da solución al problema de difusión de calor y al problema de deformación lineal de sólidos homogéneos para cada instante de tiempo, intercambiando información entre ambas soluciones para simular la distorsión del material. La estrategia de HPC consiste en paralelizar las operaciones matriciales y los algoritmos de solución de sistemas de ecuaciones. Las pruebas se realizaron en un modelo computarizado del sistema de frenado de un vehículo moderno (disminuir la velocidad de rotación de un disco a través de la fricción de un dispositivo de frenado). Después se realizó un análisis cuantitativo del estrés, de la deformación y de la temperatura en algunos puntos de la geometría, y un análisis cualitativo para mostrar las visualizaciones más ilustrativas del fenómeno.

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