Системная постановка и решение задач механики формирования структуры и свойств металлических тел при интенсивных технологических воздействиях

• Автор: Захаров, Игорь Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 292 с. : 93 ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Основные обозначения
Принятые сокращения
Введение
Глава 1. Состояние проблемы по комплексному моделированию процессов формирования структуры и физико-механических свойств деформируемых твёрдых тел при интенсивных температурно-силовых воздействиях
1.1. Системы компьютерного моделирования процессов
получения и обработки материалов
1.2. Нестационарные температурные задачи
при высокоэнергетических воздействиях
1.3. Использование математического моделирования при исследовании процессов формирования структуры материалов
1.4. Напряжённо-деформированное состояние структурно-неоднородных тел при контактном температурно-силовом нагружении
1.5. Задачи исследования
Глава 2. Системный подход к описанию структуры и свойств металлических тел в условиях воздействия высокоградиентных температурно-силовых полей
2.1. Этапы разработки и архитектура сложных систем математического моделирования
2.1.1. Функциональная структура системы создания
моделирующего комплекса
2.1.2. Постановка задачи
2.1.3. Разработка идеального моделирующего комплекса (ИМК)
2.1.4. Построение рабочего моделирующего комплекса (РМК)
2.1.5. Реализация системы моделей. Вычислительный эксперимент
2.2. Базовые и дополняющие модели
2.3. Взаимодействие и адаптация моделей. Параллельные
вычисления
2.3.1. Связанные задачи

2.3.2. Параллельные вычисления
2.3.3. Верификация, идентификация и калибровка моделей
2.4. Выводы
Глава 3. Моделирование нестационарных тепловых процессов в структурно-неоднородных телах при интенсивных воздействиях
3.1. Распространение тепла при высокоинтенсивных процессах
3.2. Зависимость теплофизических коэффициентов от температуры
3.3. Скрытая теплота фазовых превращений
3.4. Постановка задачи. Обоснование метода решения
3.5. Температурные поля в крупном стальном слитке
в ходе его затвердевания
3.5.1. Постановка и особенности решения задачи
3.5.2. Полученные результаты
3.6. Температурные поля при обработке материалов
концентрированными потоками энергии
3.6.1. Постановка и особенности решения задачи
3.6.2. Полученные результаты
3.7. Выводы
Глава 4. Описание эволюции микро- и макроструктуры стали в условиях
нестационарных тепловых полей
4.1. Общая схема моделирующего комплекса процессов
формирования макроструктуры материала
4.2. Особенности структурных и фазовых превращений стали при
высокоскоростном нагреве и охлаждении
4.3. Математическое моделирование структурных и
фазовых превращений стали в условиях КПЗ
4.4. Моделирование процессов формирования кристаллической
структуры стали в ходе затвердевания
4.4.1. Условия формирования характерных кристаллических зон при затвердевании стали
4.4.2. Математическое моделирование конуса осаждения
4.4.3. Результаты компьютерного моделирования кристаллической структуры крупного стального слитка
4.5. Математическое моделирование формирования макро- и
микропористости стали при затвердевании из расплава
4.5.1. Методика математического моделирования
усадочных процессов
4.5.2. Результаты компьютерного моделирования усадочных процессов
в крупном стальном слитке
4.6. Выводы
Глава 5. Упруго-пластические задачи при нестационарном температурно-силовом и контактном нагружении
5.1. Постановка и процедура решения задачи определения НДС в упругих структурно-неоднородных телах при контактных температурно-силовых воздействиях
5.1.1. Основные уравнения и постановка задачи
5.1.2. Процедура численного решения
5.1.3. Численная процедура определения области контакта для тел произвольной формы
5.1.4. Численно-аналитическое решение.
Термоупругий потенциал перемещений
5.1.5. Аналитическое решение задачи о термо-силовом деформировании образца с неоднородным слоем
5.2. Расчёт НДС в структурно-неоднородных телах
с учётом деформаций пластичности при сложном температурно-силовом нагружении
5.2.1. Деформационная теория.
Метод переменных параметров упругости
5.2.2. Теория течения. Метод дополнительных деформаций
5.3. Классификация и анализ напряжённых состояний
с использованием безразмерных инвариантных параметров
вида тензора и девиатора напряжений
5.4. Сопоставительный анализ и результаты математического моделирования НДС материалов
при высокоэнергетических воздействиях
5.4.1. Расчёт НДС при затвердевании крупного стального слитка
5.4.2. Расчёт НДС при обработке материалов КПЗ
5.5. Выводы
Глава 6. Прогнозирование свойств локально и глобально структурнонеоднородных тел в рамках технологий остывающего слитка и электромеханической обработки

образца) уровнях часто рассматриваются подходы, использующие известные численные методы (например, МКЭ, МКР) с усреднением свойств структурных составляющих по объёму тела на основе эмпирических и феноменологических зависимостей. Также могут применяться различные по-ликристаллические модели упругости и пластичности. Подобные модели, например, используются для описания кристаллографических текстур, возникающих в материале при обработке давлением [276, 277]; при моделировании механических характеристик поликристаллов при упругости, пластичности [278, 279], ползучести [280] и др.
Необходимо отметить, что с использованием моделей, основанных на точном описании физических процессов, протекающих при формировании структуры и свойств материалов, при современном уровне вычислительных технологий вряд ли возможно получить практически значимые количественные результаты (по крайней мере, при исследовании процессов обработки и получения материалов в объёме технологических систем). Однако, такие модели в сочетании с результатами статистической обработки экспериментальных данных могут эффективно применяться для разработки определяющих зависимостей для более простых эмпирических и феноменологических моделей.
Статистические модели широко применяются в современном материаловедении при изучении фазовых превращений, явлений перекристаллизации, пластичности кристаллов и т.д. Применительно к процессам формирования структуры материала при высоких скоростях изменения температуры подобные зависимости исследуются и приводятся в работах Н. В. Гевелинга [281], А. С. Завьялова [282], М. Е. Блантера [283], А. П. Гуляева [284], И. Н. Кидина [285], В. Н. Гриднева [286]. Проблемы математического моделирования металлургических процессов при затвердевании расплава на основе решения тепловых, гидродинамических, усадочных, фильтрационных, деформационных задач излагаются как в общих курсах В. А. Ефимова [287], Г. Ф. Баландина [63], С. Я. Скобло и Е. А. Казачкова [60], Л. Шмрги [61], так и в специальной литературе [32—48].
Один из наиболее распространённых способов определения размеров и взаимного расположения возникающих при нагреве структурных областей основан на решении сопряжённой (многозонной) задачи теплооб-