Численное и лабораторное исследование механических и теплофизических характеристик высокотемпературного (огнеупорного) пористого керамического материала на основе оксида кремния (SiO2)

Объект исследования: высокотемпературный пористый керамический материал на основе SiO2, характеризующийся низким значением коэффициента температурного расширения и высокой стойкостью к интенсивным термическим нагрузкам. Цель работы: разработка подхода к решению задачи эффективного учета многомасштабной поровой структуры в компьютерных моделях образцов огнеупора SiO2 и получению оценок локальных прочностных свойств пористых областей, образованных зернами мелких фракций. Методология и методы исследования: создание многомасштабных компьютерных моделей огнеупорного материала на основе SiO2, экспериментальное и численное изучение закономерностей и механизмов нелинейного поведения и разрушения представительных мезомасштабных образцов огнеупора SiO2. На текущем этапе разработана новая двухмасштабная «композиционная» механическая модель огнеупора на основе SiO2, реализованная в рамках численного метода однородно-деформируемых дискретных элементов. Проведен численный анализ влияния морфологии порового пространства на механические свойства представительных мезомасштабных объемов огнеупора, выявлены вклады мезоскопических структурных элементов в его разрушение. Развита связанная термомеханическая дискретно-элементная модель керамических огнеупоров, учитывающая влияние локальной температуры на напряженно-деформированное состояние и описывающая теплоперенос с использованием модифицированного уравнения Фурье. Выявлены условия и наиболее вероятные места формирования термически-индуцированных сколов и глубоких трещин в элементах футеровки сталеразливочных ковшей. Проведены предварительные экспериментальные исследования, направленные на отработку режимов получения периклаз-шпинелевых огнеупоров с различными значениями пористости, упругих и прочностных свойств. Результаты исследований вносят значимый вклад в создание методологической основы построения и программной реализации цифровых двойников перспективных огнеупорных материалов на керамической основе.