Физические теории пластичности (crystal plasticity) — направление, которое активно развивается за рубежом, но в России пока только набирает обороты. Пермский Политех — один из немногих вузов, ученые которого проводят фундаментальные исследования в этой области вот уже более 20 лет, причем эти исследования поддерживаются многочисленными грантами различных ведущих научных фондов — в том числе РФФИ и РНФ. В 2017 году доцент кафедры математического моделирования систем и процессов Павел Волегов стал победителем конкурса на право присуждения гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых — кандидатов наук с проектом «Моделирование процессов интенсивных неупругих деформаций поликристаллов и сопутствующей эволюции внутренней структуры на основе методологии многоуровневых физических теорий пластичности». В чем уникальность проекта и какие проблемы он способен решить? Пресс-служба Пермского Политеха постаралась разобраться.
Ни для кого не секрет, что все изделия, которые нас окружают, в том числе металлические, в первую очередь проходят процессы изготовления и обработки, в результате которой материалы приобретают те или иные свойства, причем современные технологии обработки позволяют существенно улучшать эти свойства. Так, например, детали и конструкции, используемые в аэрокосмической, автомобильной отраслях (и не только), должны выдерживать экстремальные нагрузки. Если речь идет об авиационном двигателе, то здесь характерны высокие температуры, давления, если мы говорим о корпусах реакторов атомных станций, то необходимым условием эксплуатации становится стойкость к радиационному облучению. Все свойства, которые приобретает тот или иной материал, определяются его внутренней структурой, начиная с атомарного уровня и заканчивая образованием поликристаллов. Умение описывать процессы изготовления и обработки материалов очень важны с точки зрения того, как меняется внутренняя структура, и таких работ в России крайне мало. Проект коллектива ученых кафедры ММСП Пермского Политеха нацелен на исследование внутренней структуры поликристаллов практически с атомарного уровня именно в процессах изготовления, обработки и эксплуатации поликристаллических материалов и изделий их них. Другой важный аспект работы — методология.
Когда мы изучаем какое-то явление, например, поведение металлических материалов при деформировании, у нас есть два пути. С одной стороны, мы можем ставить натурные эксперименты, но надо понимать, что при всем желании, не получится перепробовать всевозможные варианты, например, температурных или других внешних воздействий. Поэтому информация о материале и закономерностях изменения его структуры, которую мы будем получать из натурных экспериментов, всегда будет заведомо неполной. Другой важный факт заключается в том, что касается получения так называемых функциональных материалов — таких материалов, технология изготовления и обработки которых создается учеными под заданные инженерами условия эксплуатации готового изделия. Если таких материалов на сегодняшний день еще нет, получается, что и эксперимент проводить не с чем! И тогда на помощь приходит компьютерное моделирование. Если мы научимся на основе детального рассмотрения физических процессов на микроуровне математически описывать те процессы, которые происходят в материале, то далее сможем ставить численные эксперименты, моделировать всевозможные процессы, которые могут с этим материалом происходить, включая те, которые пока в натурном эксперименте не могут быть воспроизведены, либо могут, но для этого понадобится слишком сложная экспериментальная техника.
— Любой материал — это сложная организованная система, состоящая из элементов различных масштабных и структурных уровней. У нас есть атомы, которые образуют структуру монокристалла отдельного зерна, а сами монокристаллы, укладываясь определенным образом, образуют поликристаллическое тело. Благодаря многоуровневому моделированию мы имеем возможность описывать механизмы деформирования на каждом из этих уровней. Таким образом, мы можем создавать модели, в принципе, под любую задачу заказчика, собирать их как некий конструктор. Можем добавлять или наоборот не учитывать какие-то механизмы в зависимости от их важности для конкретного рассматриваемого процесса. Если, к примеру, для поведения материала важно учитывать температурные эффекты, то добавляем описание соответствующих механизмов, если нет, не учитываем, — рассказывает руководитель проекта Павел Сергеевич Волегов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ММСП.
Разрабатываемые в коллективе кафедры ММСП модели можно встраивать в существующие программные комплексы, такие как Abaqus и Ansys, которые широко используются для проведения инженерно-конструкторских расчетов. Преимущество в том, что в таком случае заказчику-технологу не приходится вникать в фундаментальную науку. Он может воспользоваться программным продуктом, задать геометрию образца, внешнее воздействие и получить многообразие необходимой информации.
Несмотря на то, что официально проект по гранту Президента РФ завершится к новому году, исследования будут проводиться и дальше. Благодаря стремительному развитию технологий, ученые с каждым годом смогут глубже погружаться в исследования материалов и работать с новыми технологическими процессами.