Эксплуатационные характеристики различных деталей и узлов машин во многом определяются физико-механическими свойствами поверхностного слоя. Однако до сих пор нет полного понимания того, какие параметры и механизмы отвечают за определенную модификацию свойств поверхностного слоя. В этой связи методы компьютерного моделирования могут являться полезным инструментом для исследования изменения свойств поверхности во время контактного взаимодействия, а также в условиях приработки. Принципиальную значимость имеет возможность рассмотрения процессов, происходящих на нанометровом масштабе и на масштабе отдельных атомов. В работе в рамках компьютерного моделирования воспроизведены условия нагружения, реализуемые при поверхностном пластическом деформировании. Исследования проведены на макромасштабе (традиционный подход), а также на атомном и мезоскопическом уровнях. Для получения информации о моделируемой системе использованы три метода компьютерного моделирования: метод конечных элементов, метод подвижных клеточных автоматов и метод молекулярной динамики. Результаты моделирования находятся в хорошем качественном согласии с данными экспериментальных измерений.

The operating characteristics of machine parts and units are defined in many respects by the physical and mechanical properties of their surface layers. Unfortunately, it is still not quite clear what parameters and mechanisms are responsible for one or another modification of surface layer properties. In this context, computer modeling techniques can be a useful tool in studying the variation of surface properties in contact interaction and run-in. Of fundamental importance is the possibility to consider the processes occurring on nanoscales and scales of individual atoms. In the work, loading conditions in plastic surface deformation was reproduced on the macroscale (traditional approach), atomic scale, and mesoscale by computer modeling with the finite element method, movable cellular automata method, and molecular dynamics method. The modeling results are in good qualitative agreement with data of experimental measurements.

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.

Показана возможность моделирования синтеза нанообъектов на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия использован метод погруженного атома. Исходным материалом для получения наноструктур являлась бислойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой из атомов алюминия. Исследован процесс синтеза нанотрубок в зависимости от толщины слоев и длины пленки. Изучены механическая устойчивость нанотрубок, их отклик на ударные воздействия, а также поведение полученных нанообъектов при повышении температуры вплоть до плавления. Предложена принципиальная схема конструирования и использования полученных нанообъектов в качестве компонентов интеллектуальных наноустройств, преобразующих тепловую энергию в механическую.??.

Представлена математическая модель процесса индукционного нагрева детали, построенная на основе метода классических клеточных автоматов. Создана компьютерная программа, реализующая данную модель. Приводятся результаты сравнения картины тепловых полей, наблюдаемых в эксперименте, и модельных данных. Рассматривается возможность использования модели для решения задачи синтеза алгоритмов управления оборудованием и конфигурации индуктора.

На основе применения метода подвижных клеточных автоматов проведено компьютерное моделирование импульсного ударного воздействия на плоскую металлическую мишень. Анализируется структура упругих волн, возникающих при динамическом нагружении. Отмечается, что численный подход позволяет моделировать ситуации, которые чрезвычайно сложно исследовать в рамках аналитических подходов. Показано, что характеристики возбуждений, наблюдаемых в компьютерном эксперименте, находятся в соответствии с аналитическим описанием. Показана возможность образования повреждений как результата взаимодействия возмущений, инициированных удаленными источниками.

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.

Предложена методика оценки прочностных свойств пористого керамического покрытия. Подход основан на анализе результатов предварительных тестов по индентированию покрытия с дефектами различного размера и глубины залегания. Исследования проведены с помощью компьютерного моделирования в рамках совмещения методов дискретного подхода (метод подвижных клеточных автоматов) и континуального описания (метод конечных разностей). Найдены соотношения, связывающие такие параметры поры, как длина и глубина ее залегания в покрытии, с критическими напряжениями, соответствующими разрушению покрытия. Предложенный подход может быть использован для исследования прочностных свойств поверхностных слоев материалов и прогнозирования критических напряжений в области контакта.

Предложен подход к многоуровневому описанию деформации и разрушения хрупких пористых сред с одним максимумом на гистограмме распределения пор по размерам в рамках метода подвижных клеточных автоматов. Подход основан на определении эффективной функции отклика клеточного автомата прямым моделированием представительного объема пористой среды. Разработана иерархическая модель механического поведения керамики на основе ZrO2 с размером пор соизмеримым со средним размером зерна при сдвиговом нагружении и одноосном сжатии. Исследованы возможности разработанного подхода по учету неоднородности пространственного распределения прочностных свойств пористых сред путем изменения параметров межавтоматного взаимодействия по стохастически выбранным направлениям. Показано, что такой способ учета неоднородности открывает широкие перспективы для многоуровнего описания пористых сред с иерархической структурой порового пространства.

Обсуждается проблема учета вращения в рамках метода частиц. Показано, что учет поворота либо как самостоятельной степени свободы, либо через вращение окружения позволяет в рамках метода подвижных клеточных автоматов корректно описывать классическую сплошную среду. Для того чтобы описывать более сложные среды, например микрополярные, нужно реализовать оба способа учета поворота, при этом самостоятельную степень свободы рассматривать как независимый поворот. Ключевые слова: моделирование, метод частиц, механическое движение, вращение.

Рассмотрены экспериментальные данные о структуре и некоторых свойствах жидких и аморфных металлов и сплавов: модели, позволяющие описывать структуру и свойства этих объектов; статистическая теория структуры жидкостей (одно- и многокомпонентных), в частности жидких металлов. Значительное место уделено расчетам структуры и свойств (термодинамических свойств и подвижности атомов) с помощью ЭВМ при использовании методов интегральных уравнений статистической теории жидкостей, вариационных методов и прямого моделирования на ЭВМ. Обсуждаются вопросы более полного описания ближнего порядка в неупорядоченных системах, в частности с помощью учета угловых корреляций в расположении атомов. Для научных работников научно-исследовательских и учебных институтов, заводских лабораторий металлургической промышленности и специалистов металлургических предприятий.

Книга посвящена одному из современных методов исследований в материаловедении - моделированию атомной структуры дефектов. Включает в себя методически последовательное изложение взаимосвязанных разделов в физике реальных кристаллов, таких как структура и энергия точечных и планарных дефектов, структура ядра дислокаций, компьютерное моделирование взаимодействия дефектов, динамические процессы радиационных повреждений в металлах и сплавах; атомистические расчеты структуры основного состояния микрокластеров и кинетики их превращений и др. Перечисленные разделы являются достаточно устоявшимися направлениями в физике реальных кристаллов и ведены в курсы лекций для студентов физико-технического и металлургического факультетов УрФУ. Большое внимание уделяется связи результатов атомистических расчетов с особенностями поведения реальных металлов и сплавов при деформации, разрушении, радиационном повреждении, фазово-структурных превращениях. Систематизирован богатый литературный материал и результаты работы авторов по изучению дислокационной структуры, особенностей деформации и разрушения монокристаллического Ti3Al. Книга адресована научным работникам, магистрам, аспирантам и студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также изучающим дефекты и их влияние на свойства твердых тел.

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.

Описан подход к моделированию экзотермических химических реакций, основанный на концепции клеточных автоматов. Для анализа адекватности подхода приведены результаты моделирования процесса распространения фронта реакции при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в системе Ni-Al. Показано хорошее согласие между модельными и экспериментальными зависимостями скорости движения фронта и максимальной температуры горения от температуры начального прогрева порошковой смеси. Сделан вывод о необходимости явного учета кинетики реакции, в частности растекания жидкой фазы, для корректного описания влияния пористости на протекание экзотермической реакции.

Исследуется начальная стадия инициации процесса локализации атомных смещений в приповерхностной области на основе анализа особенностей перераспределения избыточного объема. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что избыточный объем концентрируется в тех областях, где в дальнейшем наблюдаются структурные изменения. При этом выявлено, что превышение избыточного объема для этих областей может достигать 5% по сравнению с удельным объемом, приходящимся на атомы, находящиеся вне зоны локализации смещений. Полученные результаты позволяют с новых позиций рассматривать роль избыточного объема в вопросах зарождения и развития пластической деформации на атомном уровне.

В работе с использованием метода молекулярной динамики проведено моделирование на атомном масштабе процесса пластического деформирования шероховатой поверхности кристаллического тела. исследовались атомные механизмы, посредством которых происходят генерации и развитие дефектов структуры поверхностного слоя и модификация его свойств. Исследования выполнены на монокристаллах с ГЦК и ОЦК атомными решетками. Варьировался радиус индентора выглаживающего инструмента, реализованного через действие силового поля цилиндрической формы, а также число проходов нагружения. Показаны различие и общность поведения обоих кристаллитов в условиях пластического деформирования поверхности. несмотря на отличие в масштабах по отдельным параметрам, результаты компьютерного моделирования находятся в хорошем качественном согласии с данными экспериментальных исследований.

С помощью метода молекулярной динамики в работе проведено исследование поведения материала в условиях нагружения, идентичных процессу сварки трением с перемешиванием. Нагружение моделировалось путем задания для выбранной части образца («инструменту») постоянных значений угловой и поступательной скоростей движения. Рассматривались различные варианты сопряжения: два исходно бездефектных кристаллита меди, кристаллы меди и железа и два кристаллита твердых растворов, соответствующих сплаву Д16. Обнаружено, что движение вращающегося инструмента приводит к разрушению кристаллической структуры образца и последующему перемешиванию поверхностных атомов сопряженных кристаллитов. При определенных режимах нагружения кристаллическая решетка после прохождения инструмента восстанавливает регулярный порядок. В работе исследовано влияние дополнительного осциллирующего воздействия, приложенного к движущемуся инструменту. Полученные результаты могут быть использованы для исследования процессов, протекающих в условиях механоактивируемой диффузии.

Сделан обзор по моделированию особенностей образования первичной радиационной повреждаемости (ПРП) и формирования радиационных дефектов каскадами атомных смещений. Приведены результаты моделирования методом молекулярной динамики каскадов атомных смещений и особенностей их взаимодействия с дефектами внутренней кристаллической структуры металлов (точечными дефектами, порами, дислокациями, границами зёрен (ГЗ), свободными поверхностями). Показано, что дефекты оказывают существенное влияние на эволюцию каскадов атомных смещений и формирование ПРП металлов.

The paper presents a molecular dynamics study to investigate the behavior of materials under loading by friction stir welding (FSW). The loading is simulated by assigning constant angular and forward velocities to a certain group of atoms, being a FSW tool. The joined materials are two defect-free Cu crystallites, Cu and Fe crystallites, and two crystallites of the same solid solution structured as D16 (2024) alloy. It is found that as the tool passes along the weld line, the crystal structure of the materials is rearranged with subsequent mixing of their surface atoms. Under certain loading conditions, the crystal lattice after passage of the tool recovers its regular order. Also analyzed is the influence of vibrations additionally applied to the FSW tool. The simulation results provide a better understanding of the processes involved in mechanically activated diffusion.

Путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение отклика активных границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов0 на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Результаты расчетов подтвердили выводы, сделанные по данным натурных испытаний, а также позволили выявить роль каждого из факторов в изменении характера отклика разлома, что может быть использовано для однозначного объяснения обнаруженных экспериментально эффектов. На основе результатов моделирования и экспериментальных данных разработан конкретный способ реализации предложенного подхода к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмооактивных разломов, основанный на применении электроразрядных технологий.

Процесс изнашивания рассматривается как стохастический процесс, протекающий в поверхностных слоях контактирующих тел и включающий выкрашивание микрочастиц, их стохастический транспорт, а также процессы наносварки. Результаты исследования позволяют идентифицировать параметры макроскопической модели на основе моделирования процессов на наноуровне и тем самым осуществить переход от нано- к макроуровню.

Методом подвижных клеточных автоматов проведено численное моделирование деформации и разрушения пористых керамических материалов с различными типами регулярной, а также стохастической структуры порового пространства при одноосном нагружении. Проанализировано влияние структуры пор на динамику зарождения и развития повреждений. Отмечена корреляция между эффективной жесткостью пористых образцов и скоростью накопления повреждений в них. Полученные результаты позволяют говорить о возможности квазивязкого разрушения хрупких материалов, обусловленного исключительно структурой порового пространства.

На основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов в блочных средах на их деформационный отклик при динамических воздействиях. Полученные результаты позволили выделить ряд параметров деформационного отклика, величина которых претерпевает качественное изменение при изменении характера напряженного состояния. В качестве таких параметров выступают величина инициированного воздействием относительного тангенциального смещения блоков и некоторые характеристики частотного спектра скоростей таких смещений. Проведенный анализ позволяет предложить комплексный подход к диагностике напряженного состояния фрагментов активных границ раздела в блочных средах различной природы, в частности в иерархически организованной геологической среде.

В работе с использованием компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов исследованы некоторые закономерности отклика, включая разрушение, образцов блочных геологических сред, находящихся в условиях неравноосного сжатия, при сдвиговом деформировании. В качестве характеристики степени неравноосности авторами предложен безразмерный параметр, который, как свидетельствуют результаты расчетов, может быть эффективно использован для определения режима деформирования среды в условиях стесненного сдвига. Показано, что увеличение сжимающих напряжений в направлении сдвигового деформирования приводит к снижению продолжительности стадии квазипластического деформирования геосреды и величины ее сдвиговой прочности. Это связано с тем, что при увеличении степени стеснения основную роль в процессах деформации и разрушения блочной среды начинают играть механизмы мезомасштабного уровня, связанные с нарушением сплошности межблочных интерфейсных областей. Одним из проявлений данного эффекта является возрастание эффективной скорости расширения сдвиговой зоны, вызванное замещением деформационных механизмов низких масштабных уровней механизмами более высокого структурного ранга.

В статье на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов (методом МСА) изучены особенности деформирования и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии, в условиях циклического нагружения. Показано, что вибрационное воздействие с «высокими» частотами, превышающими собственные частоты образца, может существенно повышать деформационную способность интерфейсных материалов, что связано с действием вибрации как своеобразного «деформационного насоса». Развитый формализм интерфейсных сред применен для теоретического исследования отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что совместное влияние «высокочастотного» вибрационного воздействия и обводнения принципиально меняет характер отклика обводненного разлома и может приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений геоблоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Результаты расчетов подтверждены в ходе натурных экспериментов на Ангарском разломе Байкальской рифтовой зоны. Это позволило предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

В работе на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение влияния вибрации на отклик фрагмента границы раздела в блочной среде, находящейся в сложном напряженном состоянии. Показано, что изменение уровня локальных напряжений приводит к направленному изменению параметров отклика системы при вибрационных воздействиях. Это открывает путь к разработке новых методов оценки уровня локальных напряжений на активных границах раздела в разломно-блоковых средах. В связи с этим в работе рассмотрена задача инициации относительных смещений нагруженных фрагментов блоков по границе раздела сериями импульсов различной скважности. Показано, что эффективность таких воздействий определяется в первую очередь временем высвобождения энергии импульса и слабо зависит от скважности.

В работе на основе метода подвижных клеточных автоматов проведено изучение влияния конструкционных изменений эндопротеза тазобедренного сустава человека на деформационные и прочностные свойства, а также динамику генерации и развития повреждений в системе «сустав – эндопротез – бедренная кость». Структура протеза модифицировалась введением в шейку демпфирующих включений и нанесением покрытия на ножку имплантата. Рассматривался материал включения с различными диссипативными характеристиками. Показано, что наличие таких включений практически не изменяет прочность системы, но при этом ведет к заметному увеличению предельной деформации структуры «кость – протез», а также оказывает влияние на динамику зарождения и развития повреждений в костной ткани.??.

Работа посвящена теоретическому исследованию особенностей развития дилатансионных процессов в блочных средах при сдвиговом деформировании. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Рассмотрены системы, находящиеся в условиях неравноосного сжатия. В качестве характеристики неравноосности сжатия (именуемой также степенью стеснения) авторами использован безразмерный параметр, характеризующий отношение бокового и нормального давлений в плоскости деформирования. Основной целью исследования было исследование последовательности вовлечения различных дилатансионных механизмов в зависимости от уровня сдвиговых напряжений и степени стеснения. Результаты расчетов показали, что в блочной среде как иерархически организованной системе увеличение степени стеснения приводит к смене доминирующего дилатансионного механизма от механизма проскальзывания поверхностей несплошностей к механизму, связанному с раскрытием/расширением пор. Это связано с тем, что с ростом степени стеснения возрастает величина порогового сдвигового напряжения, при которой происходит активизация механизма проскальзывания. начиная с некоторого уровня боковых давлений реализация данного дилатансионного механизма затрудняется и на первый план выходит увеличение порового пространства среды, которое, однако, не обеспечивает столь же значительного изменения объема, как проскальзывание контактирующих поверхностей повреждений. Следствием этого является изменение важных дилатансионных характеристик среды, в частности изменения объема и коэффициента дилатансии.

Работа посвящена развитию формализма метода подвижных клеточных автоматов для моделирования консолидированных гетерогенных упругопластических сред на различных масштабных уровнях. На основе развитого формализма сформулирован подход к построению структурных моделей для мезоскопического описания отклика (включая разрушение) гетерогенных сред с учетом иерархической организации их внутренней структуры. В рамках данного подхода учет влияния структурных уровней более высокого, в сравнении с рассматриваемым, масштаба осуществляется с использованием техники совмещения метода частиц с традиционными методами механики сплошных сред. Эффективный учет структурных уровней более низкого ранга реализуется путем определения интегральных характеристик отклика представительных объемов среды меньшего масштаба и задания соответствующих значений параметров взаимодействия частиц. Проведено развитие предложенного формализма для описания контрастных гетерогенных сред, различные компоненты которых могут находиться в различных агрегатных состояниях. Возможности метода частиц для описания иерархически организованных сред иллюстрируются на примере изучения закономерностей отклика и разрушения материалов с развитой поровой структурой, в том числе контрастных.

В работе развит метод гибридных клеточных автоматов, предназначенный для изучения поведения гетерогенных материалов и контрастных сред. Метод представляет собой комбинацию двух подходов - классических и подвижных клеточных автоматов. Верификация метода проведена путем равнения результатов моделирования сорбции углекислого газа в лигните с экспериментальными данными, предоставленными исследовательским отделом Веленской угольной шахты (Словения). С использованием полученных оценок параметров модели проведено численное исследование влияния газовой фазы на прочность и разрушение образцов лингита. Показано, что присутствие газовой атмосферы с давлением даже в 0.1 МПа приводит к изменению эффективной прочности угольных образцов и характера их разрушения. Разработанный метод может быть использован для исследования особенностей поведения сложных многокомпонентных сред, таких как угольные пласты в зоне горных выработок.

С помощью метода подвижных клеточных автоматов была развита многоуровневая модель структурно-неоднородных покрытий. Она основана на последовательном выполнении следующих этапов: моделирование однородных образцов со свойствами составляющих компонентов покрытия; определение представительного объема неоднородного покрытия с явным заданием его структуры; неявный учет свойств неоднородностей малого масштаба в полномасштабной модели. развитая модель была применена для изучения разрушения структурированных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на стальной подложке, при различных видах механического нагружения.

На основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов исследовано поведение и особенности разрушения сложных структур при динамическом нагружении. Показана возможность эффекта аккумуляции упругой энергии, а также возможность существенного изменения характера разрушения в результате незначительных геометрических изменений исходной структуры.

Теоретически изучены особенности установления стационарного режима деформирования твердых тел. Моделирование различных режимов нагружения проводилось методом подвижных клеточных автоматов. Показано, что на этапе установления стационарного режима напряженное состояние в материале является существенно неоднородным, что в свою очередь может приводить к устойчивым структурам в поле скоростей частиц материала и влиять на развитие деформации на последующих стадиях.