Механики Института проблем машиноведения РАН и СПбГУ создали новую теорию, позволяющую моделировать процесс упругопластического деформирования металлов при ударном нагружении. Созданная модель, в отличие от аналогов, позволяет объяснить такие особенности диаграммы динамического деформирования, как ее нестабильный, резко изменяющийся характер, в том числе, смену ее поведения с монотонного на немонотонное, что может выражаться, например, в появлении так называемого «зуба текучести», а также в термическом разупрочнении.
Деформация металла в процессе эксплуатации / © Getty images
В основе модели лежит предложенный членом-корреспондентом РАН Ю. В. Петровым новый подход, базирующийся на идее прямого учета характерных времен внутренних релаксационных процессов, сопровождающих необратимое деформирование и разрушение материалов. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Engineering Science.
Изучение процесса деформирования материалов — важная задача при проектировании и изготовлении различных деталей. Производителям важно знать предельные возможности деформирования металлов для вычисления предельных сроков эксплуатации, а также технических характеристик изделий. В настоящее время численное моделирование является одним из наиболее распространённых способов изучения реакции силовых элементов или всей конструкции в целом на различные виды внешних воздействий. То есть создаются цифровые двойники, например автомобилей, самолетов, станков или других объектов, на которых и рассчитываются предельные деформационные характеристики разрабатываемых изделий.
Сегодня для описания реологии материала в инженерной практике в основном используется модель Джонсона-Кука, которая позволяет достаточно точно рассчитывать диаграмму деформирования в зависимости от скорости нагружения и температуры. Однако, эта модель в принципе не учитывает такое явление, как «зуб текучести», а также в силу мультипликативного учета различных факторов, в частности температуры, она не может описать наблюдаемое в экспериментах явление температурного размягчения.
Также в последнее время широкое распространение получили нейросетевые модели, построенные на базе методов машинного обучения. Такого рода модели позволяют достаточно точно описывать и предсказывать диаграммы деформирования, однако, область их применимости сильно ограничена диапазоном набора экспериментальных данных, который использовался при обучении. Также стоит отметить наличие большого числа модельных параметров, у которых в силу описательной природы самой модели полностью отсутствует физический смысл.
«Если рассмотреть, например, такое явление как «зуб текучести» – резкое, скачкообразное падение уровня напряжений при переходе от упругого деформирования к пластическому, то можно отметить, что оно экспериментально наблюдается далеко не всегда и не со всеми материалами, поэтому многие существующие модели его попросту не учитывают.
Напротив, наш метод, в основе которого лежит открытый профессором Петровым и исследуемый его научной группой единый временной механизм процессов пластического деформирования как при пороговых нагрузках, так и перегрузках образцов, позволяет предсказывать условия возникновения эффектов немонотонного поведения и зуба текучести для разных материалов. Таким образом, нам удалось разработать модель, которая автоматически учитывает это явление. Предполагается, что в дальнейшем она может быть успешно внедрена в конечно элементную численную схему», – рассказал старший научный сотрудник ИПМаш РАН, доцент СПбГУ Григорий Волков.
Созданная модель позволяет отслеживать каждый шаг численного моделирования и была протестирована на ряде металлов, например, сталь HSLA-65, композит на основе вольфрама 3W-4.9Ni-2.1Fe и титановый сплав Ti-6Al-4V. Модель является полностью отечественной разработкой, которая может быть использована в целях импортозамещения. По словам разработчиков, модель в будущем может быть интегрирована в используемые в производстве программы для численного моделирования.
Работа выполнена лабораторией «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» СПбГУ, созданной по программе мегагрантов правительства России.
