Celem rozprawy jest opracowanie, implementacja oraz weryfikacja wysokowydajnego modelu automatów komórkowych do symulacji rekrystalizacji statycznej dedykowanego na nowoczesne architektury sprzętowe. W pierwszej części przeprowadzono analizę mechanizmów kontrolujących ewolucję mikrostruktury w warunkach zajścia rekrystalizacji statycznej. Przedstawiono przegląd istniejących rozwiązań obejmujący możliwości modelowania numerycznego, złożonych mechanizmów przebudowy mikrostruktury, wskazując na ich zalety oraz pewne ograniczenia. Wnikliwej ocenie poddano algorytmy wykorzystujące analizowaną w pracy metodę automatów komórkowych. Przedstawione informacje wskazały konieczność przyspieszenia obliczeń numerycznych, tak aby wspomniane modele mogły stanowić wsparcie prac nad projektowaniem nowych technologii przeróbki cieplno- mechanicznej. Na tej podstawie zdefiniowano tezę oraz cele rozprawy doktorskiej. Następnie, w ramach badań, zaprojektowano i zaimplementowano kompleksowy model automatów komórkowych rozwoju mikrostruktury podczas rekrystalizacji statycznej (model CA SRX - ang. Cellular Automata Static Recrystallization), z uwzględnieniem najważniejszych mechanizmów zachodzących podczas tego zjawiska. Ten etap uzupełniono również o ocenę wpływu głównych parametrów modelu, w tym wartości fizycznego rozmiaru komórki automatów oraz długości kroku czasowego, na powtarzalność uzyskiwanych wyników. Na bazie tych badań zaproponowano algorytm adaptacji kroku czasowego, eliminujący możliwe sztuczne ograniczenie rozrostu ziaren podczas symulacji. Ten etap pracy uzupełniony jest również o identyfikację parametrów opracowanego modelu w oparciu o przeprowadzone badania laboratoryjne. Druga części pracy poświęcona jest adaptacji opracowanych algorytmów do ich realizacji w sposób zrównoleglony. Koncepcja zrównoleglenia wykorzystuje podejście dekompozycji w dziedzinie problemu do wykorzystania w systemach wielowęzłowych, przy użyciu technologii MPI (ang. Message Passing Interface). Podczas tego etapu badań opracowano algorytmy odpowiedzialne za przesyłanie komunikatów, a także rozwiązano problemy związane z nakładaniem się obliczeń i komunikacji. Zaproponowano i zaimplementowano także
różne mechanizmy komunikacji pomiędzy domenami obliczeniowymi. Ostatni etap pracy obejmował serię testów wydajności zaproponowanego rozwiązania, które wykazały jego efektywność.
The main goals of the presented work are focused on development of sequential and parallel versions of the complex cellular automata (CA) static recrystallization (SRX) model, which during calculations takes into account all major physical mechanisms influencing the investigated phenomenon. The motivation for the work is directly related to constantly increasing computer power, which indicated enormous possibilities of high performance computing concept applied to practical problems of CA calculations, realized with central processing units. However, as presented within the first part of the work, mentioned modern architectures force significant changes in general implementation concepts, even a redevelopment and reimplementation of the simplest algorithms. With that a hypothesis and goals of the work were formulated for the following research. To reach identified goals, first, a sequential version of the code was developed to ensure the quality of the cellular automata static recrystallization (CA SRX) model and reliability of its predictions. The model robustness is confirmed with series of tests performed with various model initial setups. That way, all unphysical artefacts were recognized and eliminated from the CA SRX model. Then, developed CA SRX model parameters are identified based on the series of experimental tests. Cold rolling experiments combined with a heat treatment were used to provide data for the inverse analysis stage used to identify model parameters for the investigated austenite model alloy Fe30%Ni. Finally, a fully operational and reliable CA SRX code became the basis for its further parallelization. Details of the developed parallel implementation of the CA SRX code are provided in this part. Additionally, the appropriate division of a CA space between computing processes, as well as an appropriate synchronization of the work between all of the nodes, with particular focus directed on a communication mechanism is presented. The last part of the work, is dedicated to series of model tests based on computations speedup, efficiency and scalability.
