19 октября в закрытом формате был проведен Четвертый научно-исследовательский семинар команды Проекта

К концу первого этапа реализации плана работ Проекта, его участники от фундаментальных методологических принципов перешли к прикладной задаче проверки и калибровки выбранных подходов в методологии. Эти шаги можно сделать только в случае опоры на практические кейсы разработки и использования компьютерных симуляций. Поэтому на семинаре были рассмотрены некоторые примеры применения компьютерных симуляций для решения прикладных задач в области обработки материалов давлением. Главным докладчиком стал  ведущий исследователя Проекта – Аксенова Сергея Алексеевича.

Обработка материалов давлением – это область науки, охватывающая исследования теоретических и технологических проблем, возникающих, главным образом, в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности. Технологии обработки материалов давлением используют свойство материалов, поддающихся пластической деформации, изменять свою форму под воздействием внешних сил и сохранять ее после окончания этого воздействия. В зависимости от поставленных задач, процессы пластического формоизменения материалов исследуют методами физического, математического моделирования и компьютерных симуляций.

Компьютерные симуляции технологий обработки материалов давлением используется для решения задач прогнозирования формоизменения твердых тел, подвергаемых комплексному температурному и механическому воздействию. Такие задачи возникают при проектировании и оптимизации технологических процессов прокатки, ковки, штамповки, прессования, волочения, листовой формовки и их комбинаций. Настройка технологических параметров ведется на основе результатов компьютерного моделирования, позволяющих исследовать технологические режимы в целях минимизации рисков образования дефектов, оптимизации микроструктурных характеристик материала, снижения нагрузки на деформирующие инструменты, понижения рабочих температур и решения других задач, связанных с увеличением ресурса оборудования и повышением качества продукции.

Одним из наиболее распространенных способов компьютерного моделирования в рассматриваемой предметной области является конечо-элементное моделирование. Под данным видом моделирования понимается построение имитационных моделей, основанных на краевых задачах механики сплошной среды, численное решение которых осуществляется методом конечных элементов. Одной из основных гипотез механики деформируемого твердого тела является гипотеза сплошности, предполагающая представление реального материала (состоящего из атомов и потому, являющегося дискретной системой) в виде упрощенной модели, представляющей собой континуум. Такая идеализация позволяет составить систему уравнений в частных производных, решение которой представляет собой прогноз течения материала в рассматриваемом объеме при заданных граничных условиях. Поскольку граничные условия, описывающие условия контакта твердого тела с деформирующими инструментами, и уравнения состояния, описывающие свойства материала, являются существенно нелинейными, аналитическое решение уравнений равновесия в большинстве случаев не представляется возможным. Для построения решения используется численный метод, предполагающий разбиение объема деформируемого тела на элементы, внутри которых перемещения точек среды описываются функциями заданного типа (например линейными). Такой подход позволяет перейти от системы уравнений в частных производных к системе нелинейных алгебраических уравнений, решение которой, в свою очередь, сводится к последовательности решения линейных систем того же порядка. Метод конечных элементов реализован во многих коммерческих САПР и широко используется для решения прикладных задач.

В докладе были рассмотрены некоторые конкретные примеры решения прикладных задач с помощью конечно-элементного моделирования. При этом, особое внимание было уделено процессам сверхпластической газовой формовки, требующим особо тонкой настройки технологических параметров. Эффект сверхпластичности, позволяющий бездефектно достигать больших степеней деформации, проявляется в узком скоростном и температурном диапазоне. Таким образом, для каждого изделия необходимо рассчитывать режим давления так, чтобы скорости деформации в заготовке не покидали этого диапазона. Автоматизация процесса расчета режима давления выполняется с помощью конечно-элементного моделирования.

В компьютерном моделировании процессов обработки материалов давлением ключевую роль играет адекватность задания уравнений состояния материала, описывающих его деформационное поведение. Деформационное поведение представляет собой зависимость напряжения течения материала от деформации, скорости деформации и температуры. Кроме того, что информация о деформационном поведении необходима для моделирования технологических процессов, она характеризует происходящие в материале процессы, представляющие интерес с точки зрения материаловедения. Так, анализ кривых зависимости напряжения от деформации при постоянной температуре и скорости деформации позволяет судить о динамических микроструктурных процессах, происходящих в материале.

Особенностью экспериментальных методов исследования деформационного поведения материалов является то, что исследуемые величины не измеряются непосредственно. Величина механического напряжения рассчитывается на основе измеренной силы, действующей на деформирующий инструмент, деформация и скорость деформации – на основе измеренных значений величины и скорости перемещения инструментов. Расчеты базируются на различных гипотезах, предполагающих равномерное деформирование образца при реализации того или иного механического испытания. Однако, в реальных экспериментах добиться идеальной равномерной деформации невозможно. В докладе рассматривались эффекты неравномерного распределения деформаций в ходе стандартных механических испытаний и их вклад в получаемую оценку деформационного поведения. Было продемонстрировано, что применение методов компьютерного моделирования позволяет не только оценить погрешность стандартных методов исследования деформационного поведения материалов, но и снизить ее за счет применения специальных методик обработки экспериментальных результатов.