Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Способы теоретического описания и методы компьютерного моделирования поведения структурно-неоднородных сред в условиях термомеханических нагрузок 6
1.1 Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы
6
1.2 Теории тепло- и массо- переноса в деформируемом твердом теле 11
1.3 Теория прерывистого распада в многокомпонентных сплавах 17
1.4 Методы механики сплошных сред 19
1.5 Методы клеточных автоматов 23
2. Гибридный подход возбудимых клеточных автоматов 29
2.1 Моделирование процесса теплопереноса в неоднородной среде 29
2.2 Оценка погрешности моделирования теплопереноса 31
2.3 Моделирование переноса упругой энергии в структурно-неоднородной среде с учетом
термического расширения 33
2.4 Учет моментов сил, микроротаций, дефектообразования и диссипации энергии 37
3. Компьютерное моделирование поведения структурно-неоднородных сред под
действием экстремальных термических нагрузок 41
3.1 Учет пористости материала в рамках метода описания теплопереноса 41
3.2 Алгоритмы моделирования процесса рекристаллизации и роста зеренной структуры 44
3.3 Моделирование поведения пористых и нанокристаллических покрытий на основе
соединений TiAlC 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
ЛИТЕРАТУРА 58
В последние несколько десятилетий бурное развитие авиационной и космической техники, возрастающие требования к оборудованию в сталелитейной промышленности и пр., ставят новые задачи по созданию материалов и конструкций, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. В первую очередь - это материалы, применяющиеся при изготовлении сопел реактивных двигателей, фурм и кристаллизаторов разливки сталей, и др. Большие перепады и градиенты температур, мощные термоудары при запуске двигателя или заливке расплава, а также с учетом циклической повторяемости этих процессов, могут приводить к катастрофической деградации используемых материалов. Деградация структуры материала имеет весьма сложную природу и связана с различными взаимозависимыми и параллельно развивающимися процессами, что сопровождается перестройкой внутренней структуры материала подложки, растрескиванием и отслаиванием защитного покрытия, формированием хрупкого термически выращенного оксидного слоя, и т. д.
Известно, что экспериментальные исследования материалов и последующие натурные испытания готовых конструкций весьма трудоемки и дорогостоящи. В связи с этим теоретическое прогнозирование на базе компьютерного эксперимента является весьма актуальным. Высокие требования, предъявляемые к новым материалам, диктуют необходимость создания и развития новых современных методов компьютерного моделирования поведения сред со структурой в экстремальных условиях нагружения.
Как правило, существующие на данный момент методы механики сплошных сред далеко не всегда применимы к решению подобных задач. Сложность применения методов механики сплошных сред к компьютерному моделированию динамики изменения внутренней структуры материала в экстремальных условиях нагружения заключается в том, что в данных задачах рассматривается не только наличие внутренней структуры, влияющей на перенос энергии, но и динамическая перестройка самой структуры. Понятие сплошной среды подразумевает, что ее свойства непрерывно меняются от точки к точке. Эта идеализация приводит к тому, что рассматриваемые структуры весьма проблематично моделировать в рамках исключительно механики сплошных сред.
Таким образом, для моделирования поведения материалов со сложной структурой, имеющей тенденцию к перестроению, наряду с классическими методами сплошных сред необходимо привлекать дискретные подходы. Наиболее известными дискретными методами являются методы молекулярной динамики и клеточных автоматов.
Преимущества дискретных методов заключается в том, что они весьма эффективно
описывают поведение гранулированных сред. Фундаментальным предположением данных методов является то, что материал состоит из отдельных самостоятельных частиц. Эти частицы могут иметь различные физические и геометрические характеристики (масса, скорость, потенциальная энергия, объем, форма и площадь поверхности, и пр.). Дискретные методы имеют огромное преимущество в моделировании таких явлений, как разрушение, зарождение трещин, перемешивание масс, выкрашивание при трении, и т.п. В связи с этим, данные методы могут успешно использоваться для моделирования поведения реальных материалов в экстремальных условиях нагружения.
В связи с этим, целью дипломной работы является дискретно-континуальное моделирование процесса рекристаллизации в термобарьерных покрытиях и жаропрочных сплавах при интенсивной термической нагрузке.
Исходя из цели дипломной работы, была проведена серия численных экспериментов, на базе метода возбудимых клеточных автоматов. Моделировался процесс нагрева и охлаждения четырех образцов. С целью исследования влияния пористости и коэффициента термического расширения на скорость процесса рекристаллизации.
Подводя итог можно сказать, что был разработан новый подход для моделирования процесса рекристаллизации на базе клеточных автоматов с учетом возможности двойникового роста кристаллитов. Метод включает в себя механизмы для моделирования трансформации структуры, переноса тепловой энергии, теплового расширения и зарождения дефектов. Разработанный метод так же позволяет моделировать пористую структуру материала.
В результате численного эксперимента было показано, что в пористых образцах процесс рекристаллизации происходит медленней, чем в сплошных образцах. Результаты исследования показывают, что значение коэффициента термического расширения не оказывают влияния на степень рекристаллизации в сплошных образцах.
С другой стороны, значение коэффициента термического расширения существенно влияет на характер распространения и степень концентрации дефектов структуры. Например, было показано, в материале с низким значением коэффициента теплового расширения, степень искривления и кручения кристаллической решетки выше. Возникновение данных изгибов кристаллической решетки ведет к формированию дефектов структуры.
