Исследуется роль поверхностного слоя в развитии пластической деформации на наноструктурном уровне в условиях динамического нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что начало процесса локализации деформации непосредственно связано с потерей структурной устойчивости в поверхностных слоях, формированием зон локализации на поверхности и их распространением вглубь материала. Этому предшествуют рассогласованные смещения атомов в приповерхностных областях. Полученные результаты согласуются с известными экспериментальными данными и наглядно подтверждают особую роль поверхностного слоя в формировании и развитии процессов пластической деформации материалов.

На основе метода молекулярной динамики исследовалось формирование тепловых пятен в материалах при высокоскоростном нагружении. Показано, что возникновение тепловых пятен связано с высвобождением упругой энергии, запасеннной в области дефектов. Развитие теплового пятна сопровождается интенсивным выделением энергии и структурными перестройками в месте его расположения. Полученные результаты имеют важное значение для понимания эффектов механической активации компонентов при твердофазных химических реакциях.

Дан краткий обзор основных идей и выводов нелинейной динамики, на основе которых анализируются возможности «иерархического моделирования». Центральные проблемы при выполнении такого моделирования видятся: 1) в нахождении путей и методов анализа общих свойств решений соответствующих нелинейных динамических уравнений механики сплошных сред в контексте основополагающих идей синергетики; 2) в установлении «генетического кода» организации пространственно-временных иерархий, рождающихся в нагружаемых материалах и средах. Утверждается, что нелинейные уравнения механики сплошных сред с релаксационными определяющими уравнениями (т.е. эволюционными уравнениями) для описания скоростей пластической деформации, накопления повреждений и разрушения, с положительными и отрицательными обратными связями между параметрами являются самодостаточными для выполнения иерархического моделирования. В общем случае это нелинейные уравнения смешанного типа, которые содержат как гиперболические, так и параболические решения. Их потенциальные возможности описывать эволюцию нагружаемых прочных сред по сценарию синергетики колоссальны и практически не изучены.

В сборнике представлен спектр исследований по актуальным задачам математическго моделирования каталитических реакторов; построение математических моделей, разработка методов качественного анализа и вычислительных алгоритмов, применение методов вычислительного эксперимента к задачам химической технологии. Рассмотрены математические модели процессов в реакторах с неподвижным и кипящим слоями катализатора, процессы с фазовыми превращениями, изучены явления на разных уровнях: на поверхности катализатора, на отдельном зерне, в слое. Книга будет полезна щирокому кругу исследований - химикам-технологам, специалистам по катализу, математикам, интересующимся теоретическими и прикладными аспектами математического моделирования.

В монографии с единых позиций вычислительной технологии последовательно от математических моделей сред, численных методов и решения конкретных практических задач изложены основные аспекты, позволяющие изучать физические процессы, возникающие при высокоскоростном взаимодействии тел. Книга предназначена для специалистов в области механики, вычислительной математики и физики пластичности и прочности материалов.

Обсуждаются общие нелинейные свойства неупругой деформации и разрушения нагружаемых твердых тел и сред, а также подобные свойства численных решений нелинейной системы уравнений в частных призводных, моделирующих деформационные процессы. Автомодельность накопления неупругих деформаций/повреждений во всей иерархии масштабов от межатомных растояний и вплоть до формирования тектонических разломов в земной коре во многие тысячи километров обуславливает качественное подобие сценариев разрушения независимо от масштабов деформационного процесса и реологических свойств среды. Такими общими свойствами деформируемых систем являются пространственная локализация накопления повреждений/неупругих деформаций во всей иерархии масштабов, дальнейшая локализация деформационного процесса во времени как сверхбыстрого автокаталитического процесса (режима с обострением), наличие медленной динамики (формирование деформационных фронтов - медленных движений), а также миграция деформационной активности вследствие длинных пространственно-временных корреляций, охватывающих всю иерархию масштабов. Таким образом, разрушение развивается как последовательность катастроф нарастающих масштабов вплоть до макроскопического. Показано, что самоорганизованная критичность любых деформируемых систем не исключает возможности предстказания времени и места будущего катастрофического события. Индикаторами такого крупномасштабного события могут служить следующие процессы:замирание деформационной активности в ближней окрестности формирующейся магистральной трещины или разлома; генерация в ближайшей зоне формирующегося очага разрушения цугов (фронтов повреждений) и их стекание к месту формирующейся магистральной трещины(разлома).

Для описания катастрофических сейсмических явлений представлен подход, основанный на идеях эволюции геосреды в полях действующих сил. Обсуждены недостатки существующих моделей очага землетрясений, а также ключевые положения и особенности эволюционной модели. На примерах проведенных численных расчетов показано, что разные элементы нагружаемых геосред эволюционируют как типичные нелинейные синергетические системы.

Разработана феноменологическая модель прерывистой текучести, в которой макроскопическая скорость пластической деформации определяется кинетикой дислокаций. В модели учтены деструктивные процессы, обусловленные накоплением повреждений сдвигового и объемного характера. В основе модели лежат уравнения механики деформируемого твердого тела и определяющие уравнения релаксационного типа. Нагружаемое упругопластическое тело рассматривается как нелинейная динамическая система, эволюция которой по законам синергетики в существенной мере определяется отрицательными и положительными обратными связями. В развиваемом подходе эти связи реализуются через определяющие уравнения первой группы (релаксационные уравнения) и определяющие уравнения второй группы (кинетические уравнения, задающие скорости накопления деформационных дефектов и повреждений). Отрицательная обратная связь за счет релаксации стабилизирует деформационный процесс к некоторому состоянию локального динамического равновесия. Положительная обратная связь дестабилизирует процесс, приводя систему в критическое состояние. Численный эксперимент выполнен в 2D- и 3D-постановках. Статистический анализ флуктуаций напряжений от среднего тренда показал, что модель упругопластической среды в состоянии прерывистой текучести демонстрирует характерную для нелинейных динамических систем эволюцию через состояния динамического хаоса и самоорганизованной критичности к глобальной катастрофе.

В сборнике помещены статьи, освещающие вопросы массообмена на контактных тарелках, при сушке в кипящем слое и сорбции на ионитах. Ряд статей сборника посвящены сушильным установкам, внедренным кафедрой ОХТ РПИ на химических заводах Латвийской ССР. Сборник рассчитан на инженерно-технических и научных работников, занятых в области химической технологии.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование формирования бикомпонентных наноразмерных частиц при синхронном электрическом взрыве медной и никелевой проволочек. Исследовано влияние внутренней структуры взрываемых металлических проволочек и расстояния между ними на динамику их разрушения, размеры и стехиометрический состав формируемых наночастиц Показано, что основным механизмом синтеза частиц является процесс агломерации, а вторичным - осаждение атомов газовой фазы на поверхность частиц. Обнаружено, что распределение химических элементов неоднородно по сечению бикомпонентных частиц. Концентрация атомов меди в приповерхностной области выше, чем в объеме частицы. Варьируя параметрами нагружения (температурой нагрева, расстоянием между проводниками) можно управлять размерами и внутренней структурой формируемых бикомпонентных частиц.

Представлены результаты реконструкции долговременной динамики палеопожаров в лесостепной зоне Западной Сибири ( Новосибирская область) на примере торфяной колонки Николаевского ряма. Согласно данным радиоуглеродного датирования, исследованная толща торфа формировалась в течение 3200 кал. лет - с позднего суббореала до современности. На основе проведенного макроуголкового и радиоуглеродного анализа выявлен 21 локальный пожарный эпизод, а также определено время их возникновения, периодичность и интенсивность. Данные по динамике палеопожаров лесостепного ряма были сопоставлены с опубликованными палеоклиматическими реконструкциями для Барабинской низменности. В конце суббореального периода выделено шесть пирогенных эпизодов с пиком пожарной активности 2850-2750 кал. л. н. при скорости аккумуляции частиц угля 370 частиц см2/год. Больше всего пожаров произошло в субатлантическом периоде- 15 эпизодов с самым крупным локальным пожарным очагом в период 1100- 1050 кал. л.н., скорость аккумуляции частиц угля достигала 600 частиц см2/год. Данные палеопожарные пики совпадают с потеплением климата Барабинской низменности, выраженным в увеличении средней температуры июля и преобладании лесостепных фитоценозов в составе растительных сообществ Барабы. Более влажные условия климата и распространение таежной растительности с 2100 по 1700 кал. л. н. препятствовали возникновению пожаров на территории ряма. В более холодные периоды пожары либо отсутствовали, либо отсутствовали, либо имели незначительную интенсивность. При сопоставлении динамики палеопожаров Николаевского ряма с палеоклиматическими реконструкциями выявлено влияние климатических изменений на возникновение и интенсивность пирогенных эпизодов.

Разработан дискретно-континуальный метод возбудимых клеточных автоматов для моделирования напряженно-деформированного состояния в вершинах трещин и надрезах с учетом кривизны кристаллической решетки и эффектов пластической дисторсии ионов из узлов решетки в междоузлия ее кривизны. Показано, что данный нелинейный подход определяет тип трещины и характер разрушения, предсказывает возможность развития на фрактограммах динамических ротаций и структурной турбулентности, позволяет описывать нелинейные волновые процессы структурных трансформаций в полосах локализованной деформации, где возникает микропористость и развиваются трещины продольного сдвига.

Книга отражает современный уровень развития численных методов и алгоритмов, ориентированных на применение современной вычислительной техники и позволяющих проводить количественный анализ математических моделей широкого класса реальных природных, социальных и технических объектов. Изложены методы решения задач линейной алгебры, систем нелинейных алгебраических уравнений, интерполяция функций, методы численного интегрирования и дифференцирования, численные методы решения задачи Коши и краевых задач для систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Приведены основы общей теории разностных схем и ее применение к построению и анализу методов численного решения эллиптических, параболических и гиперболических уравнений, а также численные методы решения интегральных уравнений. Представлены методы генерации сеток для многомерных задач математической физики, многосеточные методы решения, численные методы для решения уравнения переноса и уравнений газовой динамики, алгоритмические основы метода конечных элементов. Для студентов старших курсов технических университетов, аспирантов и инженеров. Может быть полезна преподавателям и научным работникам.

В работе рассмотрен комплексный подход к анализу данных на основе нечеткого и статистического моделирования, включающий в себя восстановление данных с помощью нечеткой системы на основе эволюционной стратегии и факторного анализа с вращением направленный на выявление структурных особенностей месторождений нефти. Описываются основные методы комплексного анализа. Приведены результаты экспериментальных исследований для определения влияния состава и условий залегания нефтей на численность, распространение и активность пластовой микрофлоры.

Сборник статей подготовлен по материалам докладов V Международной конференции "Компьютерный анализ данных и моделирование" (июнь 1998 г., Минск), организованной Белорусским государственным университетом. Тематика статей соответствует следующим научным направлениям: робастный анализ данных; многомерная статистика; классификация и распознание; анализ временных рядов; статистическое прогнозирование; статистическое моделирование; моделирование технологических процессов; обработка сигналов; статистика в экономике, финансах и других областях; программное обеспечение анализа данных и статистического моделирования. Для специалистов, работающих в области математической и прикладной статистики, компьютерного моделирования и их приложений в экономике, бизнесе, технике, экологии, медицине и других областях.

Сборник статей подготовлен по материалам докладов V Международной конференции "Компьютерный анализ данных и моделирование " (июнь 1998 г., Минск), организованной Белорусским государственным университетом. Тематика статей соответствует следующим научным направлениям: робастный анализ данных; многомерная статистика, классификация и распознание; анализ временных рядов; статистическое прогнозирование; статистическое моделирование; моделирование технологических процессов; обработка сигналов; статистика в экономике, финансах и других областях; программное обеспечение анализа данных и статистического моделирования. Для специалистов, работающих в области математической и прикладной статистики, компьютерного моделирования и их приложений в экономике, бизнесе, технике, экологии, медицине и других областях.

Анализируются физические свойства и электронные модели нового класса высокотемпературных сверхпроводников в слоистых соединениях на основе железа. Несмотря на различны химический состав и различие в кристаллической структуре, они имеют похожие физические свойства, обусловленные электронными носителями в FeAs-слоях и их взаимодействием с флуктуациями магнитного порядка. Исключительный интерес к ним объясняется перспективами практического применения. В монографии дается полная картина формирования их физических свойств на основе теоретических моделей и электронной структуры. Книга рассчитана на широкий круг читателей: физиков, изучающих электронные свойства FeAs-соединений, химиков, синтезирующих эти соединения, и специалистов, занимающихся расчетами электронной структуры твердых тел. Она будет полезна не только исследователя, работающим в области сверхпроводимости и магнетизма, но также студентам, аспирантам и всем тем, кто хочет ознакомиться с этой актуальной областью физического материаловедения.

В настоящей книге представлено современное состояние теории нелинейных колебаний и волн. С единой точки зрения рассматриваются колебательные и волновые процессы, как периодические, так и хаотические, в системах самой различной физической природы. Показано, что такие популярные и быстро развивающиеся в последние годы науки, как нелинейная динамика, теория солитонов и синергетика. которые часто изучаются независимо друг от друга, фактически являются составными частями теории колебаний и волн. На ряде примеров демонстрируется. что эта теория отражает наиболее общие законы природы, справедливые для систем, являющихся объектами изучения различных наук: физики, химии, биологии и т. д. Единство колебательных законов позволяет строить простые модели сложных систем, которые, в свою очередь, позволяют прояснить общие свойства изучаемых систем и предсказать их поведение в конкретных условиях. Кроме классических колебательных и волновых явлений в книге рассматриваются нетрадиционные проблем шумоиндуцированных колебаний и турбулентности. Книга предназначается для специалистов в области теории нелинейных колебаний и волн, научных работников и инженеров, чья деятельность связана с исследованием колебательных и волновых процессов; а также аспирантов и студентов старших курсов для углубленного изучения общих законов теории колебаний и волн и их приложений к конкретным системам.

В монографии рассмотрены микро-, мезо- и макроскопические аспекты процессов деформирования и разрушения твердых тел, а также моделирование физических процессов в сложных средах. Книга предназначена для специалистов в области механики, молекулярной динамики, вычислительной математики и физики пластичности и прочности материалов.

Представлены основные положения моделирования систем на различных иерархических уровнях строения вещества по схеме "снизу вверх" (атомная структура, молекулы, супрамолекулярные системы и нанокластеры) и рассмотрены взаимодействия частиц на таких уровнях. Систематизированы основные методы вычислительной нанотехноогии: квантовомеханические расчеты "из первых принципов" и методы, основанные на положениях молекулярной динамики и моделях Монте-Карло. Изложены способы молекулярной самосборки и методы многомасштабного моделирования материалов и процессов. Приведен обзор программного обеспечения моделирования наносистем. Для студентов вузов и специалистов в области вычислительной нанотехнологии.

Можно ли создать формализованный аппарат термодинамики, в том числе и для самоорганизующихся систем, как раздала теоретической физики, соответствующий сегодняшнему пониманию протекающих неравновесных и нелинейных процессов в открытых системах с хаотической динамикой? В монографии излагаются проблемы математического и численного моделирования нелинейных процессов в открытых физико-химических локально-неравновесных системах с фазовыми переходами и самоорганизацией, которые ранее методами классической термодинамики не могли быть решены. Эти задачи на основе принципа локального неравновесия позволяют на феноменологическом уровне в рамках хаотической динамики описать возникновение и эволюцию гомо- и гетерофазных флуктуаций, ответственных за возникновение новых структур. Учитываются трудно формализуемые потери энергии, последействие и релаксация, которые приводят к бифуркационным явлениям, забыванию начальных условий и, как следствие, - необратимости. эффективность разработанного термодинамического подхода проверена на задачах в системах с процессами переноса энергии, массы, импульса и заряда при наличии источников и стоков, межфазного слоя с испарением и конденсацией, химическими реакциями и некоторых задачах нерегулярной динамики, включающих самоорганизацию, в биофизике и медицине. Книга может быть полезна как специалистам в области термодинамики сплошных сред, гидродинамики, синергетики, так и студенческой аудитории, в частности магистрам, специализирующимся в области термодинамик и реальных процессов.

Обзор содержит наиболее значимые результаты работ российских ученых в области динамической метеорологии, выполненных в 2011-2014 гг. Он является частью Национального отчета России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS). Отчет был рассмотрен и одобрена на XXVI Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (IUGG). К обзору прилагается список основных публикаций российских ученых по динамической метеорологии за 2011-2014 гг.

В монографии рассматривается класс вполне структурированных систем помеченных переходов, представляющих собой формализм для моделирования и анализа корректности параллельных и распределенных систем, таких как вычислительные машины и комплексы с параллельной и распределённой архитектурой, параллельные программы, протоколы передачи данных, модели технологических и бизнес-процессов, при этом основное внимание уделяется разрешимости классических проблем ограниченности, достижимости, покрытия, неизбежности, поддержки управляющего состояния, останова, эквивалентности и других важных семантических и темпоральных свойств. Для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов, интересующихся формальными методами моделирования, анализа и верификации параллельных и распределенных систем.

В монографии обобщается многолетний опыт практических исследований в области экологического моделирования водных систем. Имитационные экологические модели, многомерный статистический анализ и методы визуальной интерпретации многомерных данных здесь используются как аппарат исследования и прогнозирования сложных экологических ситуаций, связанных с антропогенным загрязнением. В работе излагается методология моделирования и классификация экологических моделей водных объектов. Рассматривается ряд компьютерных экспериментов, иллюстрирующих возможности структурного подхода для эвристического обобщения традиционного качественного анализа на случай многомерных моделей. На конкретных математических моделях демонстрируется практическое применение разработанного аппарата качественного исследования сложных экологических ситуаций и интерпретация результатов моделирования. Рассматриваются возможности синтеза разных методов для изучения структуры модельных данных, интегральной оценки состояния водных экосистем. Решаются практические задачи организации многоуровневой статистической обработки модельных экологических данных с целью анализа и оценки степени загрязнения водной среды. Ранее часть разработанной методики прошла международную и отечественную апробацию и была внедрена в сети ОГСНК (Объединенная Государственная сеть наблюдений и контроля) по ряду крупных водных объектов Украины, России, Литвы и др. Для специалистов в области экологии и охраны окружающей среды, представителей органов власти и государственного управления.

Книга содержит статьи по актуальным вопросам математического моделирования химических реакторов, качественному и численному исследованию математических моделей. Статьи подготовлены в рамках деятельности Научного совета СО АН СССР по проблеме "Математические методы в химии". Сборник может быть полезен химикам-технологам и математикам, интересующимся прикладными задачами химии и химической технологии.

Перед специалистами любого профиля часто возникают следующие вопросы: как решить реальную проблему и не создать при этом новых проблем? Как уменьшить сложность возникшей ситуации? Как правильно организовать исследование существующей системы или проектирование новой? На эти вопросы отвечает современный прикладной системный анализ. Знакомство с методами системного анализа необходимо практически всем специалистам, и его элементы вошли в учебные планы многих вузов. В данной книге излагаются основные понятия и методы системного анализа. Во второе издание (1-е - 1989 г.) внесены некоторые дополнения.

В монографии рассматривается решение комплексной проблемы динамики и прочности, связанной с разработкой и развитием аппарата математического и компьютерного моделирования нелинейных волновых процессов взаимодействия деформируемых тел с грунтовыми средами. В книге приведены методы идентификации параметров математических моделей динамического деформирования грунтовых сред в широком диапазоне изменения давлений и скоростей деформаций, а также произведено экспериментально-теоретическое исследование нестационарных процессов высокоскоростного удара и наклонного проникания тел вращения в сжимаемые пористые среды при использовании точных решений и данных численных и физических экспериментов, Монография предназначена научным работникам, аспирантам и студентам, специализирующимся в области математического моделирования при решении динамических задач механики сплошных сред.

Упругие волны, генерируемые при контактном взаимодействии, рассматриваются как источник информации о процессе деформации и разрушения в зоне контакта. Развита методика численного анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке тела. Показано, что вследствие динамической природы процесса трения для анализа регистрируемых сигналов даже в установившемся режиме, помимо преобразования Фурье, необходимо применять средства частотно-временнуго анализа.

В работе показана возможность изучения закономерностей поведения и диагностики структуры и свойств поверхностных слоев и покрытий на основе спектрального анализа акустических колебаний и силы сопротивления при трении. Исследования проведены на наноскопическом масштабе с использованием численного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Развита методика анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке поверхности контртела. Идентифицированы основные пики на спектрах регистрируемых данных, обусловленные собственными частотами системы, геометрическими и адгезионными параметрами модели, а также шероховатостью взаимодействующих поверхностей. Показано, что спектры изменения давления в модели качественно подобны акустическим спектрам записи звука в реальном эксперименте. Теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа на основе вычисления силы трения для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба в поверхностном слое толщиной до 100 нм. Результаты изучения показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода исследования поведения и диагностики структуры и поврежденности покрытий и поверхностных слоев наноскопической толщины.

Предложена модель формирования неравновесного поверхностного слоя в процессе электронно-лучевой модификации композиционного материала. Учитываются особенности процессов переноса в матрице и во включениях, а также характер границ раздела между ними. Приведены примеры численного исследования модели для случая идеального контакта между частицами и матрицей. Показан различный характер формирования диффузионных зон в окрестности частиц, расположенных на разном расстоянии от внешней поверхности.

Монография посвящена новому, быстро развивающемуся направлению теоретической химии, - компьютерному конструированию неорганических соединений. Рассмотрен подход к компьютерному дизайну соединений, который использует методы искусственного интеллекта для анализа информации баз данных по свойствам неорганических веществ. Описаны базы данных по свойствам веществ и материалов, разработанные в ИМЕТ РАН, и методы компьютерного анализа химической информации. Проанализированы результаты использования компьютерного конструирования для поиска закономерностей в информации баз данных с целью прогноза состава еще не полученных соединений с заданными свойствами. Для научных работников и специалистов в областях неорганической химии и материаловедения, а также всех, интересующихся современными проблемами компьютерного анализа данных и информационными системами.