"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8702
ETF8702 "MULTIMASTAAPNE DEFORMATSIOONILAINETE ANALÜÜS MIKROSTRUKTUURIGA MATERJALIDES (1.01.2011−31.12.2014)", Arkadi Berezovski, Tallinna Tehnikaülikool, TTÜ Küberneetika Instituut.
ETF8702
MULTIMASTAAPNE DEFORMATSIOONILAINETE ANALÜÜS MIKROSTRUKTUURIGA MATERJALIDES
MULTISCALE SIMULATION OF HIGH STRAIN RATE DYNAMICS IN MICROSTRUCTURED MATERIALS
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT150 Materjalitehnoloogia2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).100,0
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.201115 120,00 EUR
01.01.2012−31.12.201215 120,00 EUR
01.01.2013−31.12.201315 120,00 EUR
01.01.2014−31.12.201415 120,00 EUR
60 480,00 EUR

Materjalide käitumine dünaamilistel koormustel on sõltuvalt koormuse intensiivsusest kas elastse või plastse iseloomuga ning võib koormuse kasvul viia ka purunemiseni. Lisaks sellele võib osutuda oluliseks faasipindade või pragude areng, kui arenemiskiirused on võrreldavad elastse laine kiirusega. Tänapäeval laialt kasutatavad materjalid nagu komposiidid, funktsionaalselt skaleeritud materjalid, mäluga materjalid, sulamid jt on oma loomult mittehomogeensed. Neile on omane mikrostruktuur, mis on iseloomustatud ühe või mitme mastaabiteguriga. Need kajastavad mikrostruktuuri erinevaid skaalasid võrreldes makrostruktuuri mõõdetega ja nendest sõltub ka materjali kui terviku käitumine. Grandiprojekti eesmärk on mikrostruktuuriga materjalide dünaamilise käitumise modelleerimine üle mitme skaala (multimastaapsus) arvestades mikrostruktuuri deformatsiooniga ja koormuse ülekandega mikrostruktuuri üksikute elementide vahel. See aitab ületada lünka üldistes arusaamades, kuidas protsessid mikroskaalas mõjutavad materjali (struktuuri) makrokäitumist. Tööhüpotees on arendada duaalsete sisemuutujate kontseptsiooni, millel on tugev termodünaamiline tagapõhi. Meie algne kontseptsioon (vt eelmine grandiprojekt) nõuab aga olulist laiendamist, et arvestada mikrostruktuuride hierarhiat (multimastaapsust) ja dispersiooni. Selline laiendamine lubab klassifitseerida mikrostruktuure dispersiooniefektide baasil, mis omakorda loob paremad eeldused pöördülesannete lahendamiseks. Olulise täiendusena harilikule sisemuutujate formalismile lisatakse mittelineaarsed efektid mikrostruktuuri tasemel. Numbrilistes arvutustes on kavas kasutada lõplike mahtude meetodit mitmedimensionaalses seades. Elastete deformatsioonilainete levi kõrval on kavas pöörata tähelepanu ka faasifrontide ja pragude arengule mikrostruktuursetes materjalides. Kus võimalik, on sihiks võrdlemine katseandmetega. Uuringud toetuvad varasemale ETF grantile (ETF grant 7037, 2007-2010). Tulemuste testimine ja rakendamine on kavas: 1. Lainelevi analüüsil mikrostruktuursetes materjalides. 2. Faasifrontide levi analüüsil. 3. Pragude dünaamika analüüsil.
Material behaviour under external loading may be different: elastic deformation, plastic deformation, and even fracture and failure (crack formation and development). One of the most challenging problems is the dynamics of structural elements made of advanced materials, because of the propagation of internal boundaries (like cracks or phase-transition fronts) with velocities compared in value with elastic wave velocities. Modern advanced materials (composites, functionally graded materials, shape memory alloys, ...), nowadays widely used in engineering, are inhomogeneous by definition. Microstructure is usually characterized by a length scale which is much smaller than the length scale of the element. Nevertheless, the influence of microstructure may not be necessary small, especially in dynamics. The goal of the project is the prediction and simulation of the dynamical response of advanced materials over multiple scales, including the tracking of microstructural evolution and the load transfer between different constituents. A crucial void exists in the understanding of how small scale inelastic deformation, fracture, and damage evolution relate to stress wave propagation, and energy and momentum dissipation for high strain rates. The working hypothesis is to use the concept of dual internal variables, which has a strong thermodynamic background. The formalism of internal variables must be considerably enlarged to describe microstructure hierarchy and dispersion effects. An attempt will be made to classify microstructures in solids by dispersive effects, which is the basis for inverse problem solutions. A special attention will be paid for nonlinearities. The nonlinearities present in microstructured materials are often the key to understanding the system’s behavior and properties. Numerical simulations will be focused on dynamic response of solids with microstructure, crack and phase-transition front dynamics. The computations are suggested to be performed in multi-dimensional case, with the necessary comparison of the results of calculations with experimental data, where feasible. The research will be carried out on the basis on results obtained in the framework of the previous project (ETF grant 7037, 2007-2010). Results of the research are expected to be tested and applied in the following fields: 1. Waves in microstructured materials 2. Phase-transition front propagation 3. Crack dynamics
Paljude materjalide käitumine kiirelt muutuvate koormiste all on mõjutatud materjali mikrostruktuurist. Kuna mikrostruktuuri komponentidel võivad olla põhimaterjalist erinevad füüsikalised omadused, siis kajastub see otseselt põhimaterjali käitumises. Projekti eesmärgiks on analüüsida uute tehnoloogias laialt kasutatavate materjalide käitumist arvestades mikrostruktuuri mastaapide ja geomeetriaga koos võimalike muutuste ja koormise jaotamisega mikrostruktuuri komponentide vahel. Sellise ajas ja ruumis muutuva olukorra modelleerimine ja mastaapide arvestamine on oluline uute konstruktsioonide projekteerimisel. Ajas kiirelt muutuva koormise puhul on konstruktsioonis tegemist laineleviga, mis seoses mikrostruktuuriga on mõjutatud dispersioonist ja dissipatsioonist. Projekti tööhüpoteesiks on duaalsete sisemuutujate kontseptsiooni väljatöötamine ja rakendamine. See kontseptsioon võimaldab mikrostruktuuri kirjeldada termodünaamika tingimuste abil siseväljade kaudu. Oluline on just duaalsete sisemuutujate kasutamine, mis erinevalt klassikalistest üksiksisemuutujatest viivad mudeli hüperboolsete võrranditeni paraboolsete võrrandite asemel. Selline uudne formalism lubab hõlpsasti arvestada mikrostruktuuri inertsiaalsust ja hierarhiat ning loomulikult ka kaasnevat dispersiooni. Uuringuid on arendatud kahes suunas: (i) teooria ja (ii) numbriline simulatsioon. On põhjendatud duaalsete sisemuutujate teooria rakendamine lainelevi analüüsil mikrostruktuuriga materjalides ning tõestatud selliselt tuletatud matemaatiliste mudelite üldine iseloom võrreldes teiste võimalike üldistustega kontinuumiteoorias. Duaalsetel sisemuutujatel põhinevad mudelid lubavad ka üldistada dissipatsiooni arvestamist. Numbriline simulatsioon lõplike mahtude meetodil kasutab samuti termodünaamika tingimusi, mis võimaldavad kontrollida energia jäävust ja stabiliseerida algoritme katkevuste vahetus läheduses. Üheks oluliseks uudseks tulemuseks on mikrostruktuurist tulenevate temperatuurifluktuatsioonide (mikrotemperatuuri) modelleerimine.