ИСТИНА

Композиты на основе металлической матрицы обладают превосходными свойствами, такими как малый вес, высокая удельная жесткость и твердость. Микроструктура (структура на уровне включений) таких композитов сложна из-за сильной неоднородности и случайного пространственного расположения включений. Для моделирования композитов рассматриваемого типа часто использовались модели, построенные из идеализированной повторяющейся ячейки. Новизна предстоящего исследования заключается в том, что для моделирования деформационных свойств будет использоваться реальная трехмерная микроструктура материала. Получение реальной структуры стало возможным благодаря рентгеновской микро томографии, обеспечивающей неразрушающее исследование трехмерной структуры композита. Это предполагается сделать с помощью Шанхайского синхротронного радиационного комплекса третьего поколения. Фундаментальность исследования состоит в развитии двухуровневого подхода. Моделирование деформирования и разрушения на макроуровне основывается на численном моделировании на уровне структуры материала (на микроуровне). Трехмерные изображения и экспериментальные данные, полученные китайской группой, будут использованы для создания и проверки двухуровневого моделирования статического и динамического поведения композитов с непериодической структурой, разработанного российской группой. Механические свойства и механизмы повреждения композитов рассматриваемого типа при статических и динамических сжатиях связаны не только со свойствами каждого компонента, но также с мезо и микроскопическими особенностями. Проект направлен на выявление механизмов связи между механическими свойствами компонент, развитием повреждений и микроструктурой дисперсных композитов. С помощью моделирования на основе трехмерной структуры, предполагается расчетным путем получить макро отклик материала на деформирование, а также распределение напряжений на мезо уровне. Последнее будет также применено для анализа процесса деформирования и эволюции разрушения. Целесообразность предполагаемого совместного исследования представляется в объединении экспериментальных результатов китайской группы с возможностями российской группы в области численного моделирования поведения композитов. Разработанное моделирование предполагается использовать при проектировании новых дисперсных композитов.

Composites based on metal matrix have excellent properties, such as light weight, high specific rigidity and hardness. The microstructure (structure at the level of inclusions) of such composites is complicated because of the strong inhomogeneity and random spatial arrangement of the inclusions. Models constructed from an idealized repeating cell were often used for modeling composites of this type. The novelty of this study is that a real 3D microstructure of the material will be used. Obtaining the real micro structure is now possible by non-destructive X-ray micro tomography, which provides 3D structure of the composite. It is supposed to use Shanghai Synchrotron Radiation Complex of the third generation. Modeling deformation and fracture at the macro level will be based on numerical simulation at the level of the material structure (at the micro level). 3D images and experimental data will be obtained by the Chinese team and will be used to develop and verify two-level simulation of the static and dynamic deformational response of the composite with a non-periodic structure. This is the task of the Russian team. The mechanical properties and damage mechanisms of this type composites under static and dynamic loading are associated not only with the properties of each component, but also with microscopic features. The project is aimed to reveal the mechanisms of communication between the mechanical properties of components, the damage development from one hand and the microstructure of dispersed composites from the another hand. It is supposed to calculate the macro response of the material to deformation, as well as the distribution of stresses at the structure level. The latter will also be used to analyze processes of deformation and the evolution of destruction. The advantage of the proposed joint research is in combining the experimental results of the Chinese group with the capability of the Russian group in the field of composite numerical simulation. The developed simulation is supposed to use for new dispersed composites design.

Основным фундаментальным результатом будет являться двухуровневый асимптотический метод вычисления деформирования композитов с металлической матрицей и его численная реализация в виде собственных программ и интерфейса для одной из коммерческих программ. В качестве приложения предполагается получить экспериментальным и расчетным путем механические свойства и механизмы повреждения композитов В4С/Аl при статических и динамических сжатиях. Поскольку свойства на макро уровне связаны не только со свойствами каждого компонента, но также с микроскопическими особенностями, проект направлен на выявление механизмов связи между механическими свойствами компонент, развитием повреждений и микроструктурой композитов на примере материала В4С/Аl. С помощью моделирования на основе трехмерной структуры предполагается расчетным путем получить макро отклик материала на деформирование, а также распределения напряжений на уровне структуры. Последнее будет применено для анализа процесса деформирования и эволюции разрушения композитов В4С/Аl.

Члены российской группы имеют опыт в применении численного моделирования для изучения свойств и деформационного поведения различных, в том числе, дисперсных композитов. Так руководитель проекта проводил оригинальное совместное исследование с коллегами из технического университета Берлина, направленное на изучение эффективных свойств сплавов и имеет совместные публикации на эту тему, например: Brandmair A., Mueller W., Savenkova М., Sheshenin S.V. A multi-scale homogenization technique Applied to the Elastic Properties of Solders //Technische Mechanik, том 31, № 2, 2011 , c. 156-170. Тогда изучались двумерные структуры, поскольку не было возможности получать трехмерные визуализации. Использовались собственные программы конечно-элементного анализа с оригинальным способом дискретизации изображения для повышения эффективности вычислений. С.В. Шешенин и доц. Ф.Б. Киселев имеют опыт моделирования вязко-упруго-пластического деформирования материалов при статическом и динамическом деформировании. Например, см. Киселев Ф.Б., Шешенин С.В. Моделирование контакта подземных сооружений с упруго-вязко-пластическим грунтом в журнале Вестник Московского университета. 2006. Серия 1: Математика. Механика, издательство Изд-во Моск. ун-та (М.), № 3, с. 61-65. Проф. А.В. Звягин является специалистом в области динамики твердого деформируемого тела. Старший научный сотрудник Н.Б. Артамонова имеет опыт в применении асимптотического анализа для вычисления свойств геологических пород. Этот опыт будет использован при моделировании композитов. Имеется ряд совместных с руководителем проекта публикаций на русском и английском языках. Применение асимптотического метода позволило предложить новую методику вычисления коэффициента порового давления, эффективность которой была продемонстрирована на примере модельных и реальных геологических структур.