Введение к работе
з .
Актуальность темы. Компьютерное исследование процессов, происходящих на микроскопическом уровне в условиях экстремальных внешних воздействий, имеет важное начно-практическое значение, так как ведет к углублению понимания о закономерностях поведения материала на атомном уровне и позволяет более эффективно решать задачи, связанные с компьютерным конструированием материалов.
Математическое (компьютерное) моделирование поведения материалов под воздействием различных внешних факторов (температурного, механического нагружения, радиационного облучения, воздействия высокоэнергетическими электронными пучками и т.д.) получает в последние годы всё более широкое распространение. Это связано с одной стороны с усиливающимися практическими потребностями науки и техники в новых перспективных материалах, с другой стороны с колоссально быстрым развитием компьютерной техники. Подавляющее большинство работ по компьютерному моделированию посвящено решению прямой задачи, то есть каким образом меняются эксплутационные характеристики материала в условиях внешних воздействий различной природы.
Как правило, при решении подобных задач на микроскопическом уроэне в материаловедении используется метод молекулярной динамики Данный метод основан на решении уравнений движения частиц (атомов), взаимодействие между которыми задаете!, по заранее определенному закону. Спектр приложений этого метода к решению научных задач достаточно широк, и в частности, он может быть успешно применен к изучению поведения материалов под воздействием высокоэнергетических воздействий.
Кроме того методы компьютерного моделирования, основанные на приложении метода молекулярной динамики, позволяют вскрыть атомные механизмы, отвечающие за проявление тех или иных закономерностей материала в условиях нагружения, и проследить за изменением свойств материала в динамике. Учитывая микроскопический размер исследуемых объектов (десятки ангстрем), короткие временные отрезки наблюдения за изучаемой системой (наносекунды или доли наносекунд), а также сложную систему внешнего нагружения, результаты компьютерного моделирования порой являются единственным источником детальной информации о поведении материала на микроуровне. Особенно это относится к изучению нелинейных эффектов, которые, как правило, сопровождают или даже определяют процессы,
инициированные высокоэнергетическими воздействиями. Проведение подобных исследований представляется актуальным и имеет существенное значение как с научной точки зрения, так и с точки зрения возможных практических приложений.
Цель и задачи работы. Цепью работы явилось изучение нелинейного отклика в твердом теле на атомном уровне при высокоскоростном нагружении.
В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследовать закономерности развития возмущений, формирующихся при импульсном локальном термическом воздействии.
-
Изучить характерные особенности нелинейного отклика твёрдого тела на высокоскоростное механическое нагружение в трехмерном случае.
-
Исследовать взаимодействие нелинейных возмущений, инициированных высокоэнергетичесшми внешними воздействиями, с дефектами структуры материала.
-
Провести компьютерное исследование особенностей отклика материала в области границы зерен в условиях высокоскоростного нагружения.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Формирование солитонообразных уединенных волн в одномерных цепочках атомов при импульсном локальном термическом воздействии.
-
Различные способы генерации солитоноподобных импульсов в 3D кристаллите при высокоскоростном нагружении и особенности их взаимодействия с дефектами структуры.
-
Формирование тепловых пятен в материалах при импульсном высокоскоростном воздействии.
-
Результаты моделирования структурных изменений межзеренных областей в процессе высокоскоростного сдвигового нагружения.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые обнаружено, что при импульсном локальном термическом воздействии в одномерном случае формируются солитоноподобные уединенные волны;
впервые показано, что в трёхмерном кристаллите при высокоэнергетическом импульсном воздействии могут формироваться два типа солитонообразных уединенных импульсов; изучен характер их взаимодействия друг с другом и дефектами структуры;
обнаружена возможность генерации тепловых пятен в областях материала с вакансионными кластерами как результат импульсного высокоскоростного воздействия на материал;
исследован характер динамических структурных изменений в зернограничной области при воздействии на материал высокоскоростного сдвига.
Практическая ценность.
Исследования, проведенные в диссертационной работе, расширяют наши представления об особенностях нелинейного отклика материалов на микроуровне в условиях высокоскоростного воздействия. Полученные результаты вскрывают атомные механизмы таких процессов как локальный температурный разогрев, структурные перестройки в межзеренных областях, происходящих под воздействием напруження. Результаты исследований условий генерации тепловых пятен позволяют глубже понять физическую природу твердофазных химических реакций и механического смешивания компонент материала при высокоскоростном нагружении. Характерные особенности взаимодействия уединенных импульсов с дефектами структуры представляют интерес для задач неразрушающего контроля, связанных с анализом качества нанесения покрытий и получением информации о накоплении дефектов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: "High Power Lasers - Science and Engineering" (Карловы Вары, Чехия, 1995), Int. Conf. on Metallurgical and Materials Applications of Shock-Wave and High-Strain-Rate Phenomena (El Paso, Texas, USA, EXPLOMET 1995), «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies — CADAMT» (Байкальск, 1997), "Новые численные методы упругости и пластичности" (Новосибирск, 1997)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 32 рисунка, библиографический список из 105 наименований - всего 128 страниц.