Развитие моделей дислокационной пластичности и разрушения в приложении к задачам высокоскоростной обработки металлов

Проект направлен на построение реалистичных моделей высокоскоростной пластической деформации и разрушения металлов и их применение для исследования и оптимизации процессов высокоскоростной обработки металлов. Несмотря на существенный прогресс аддитивных технологий, субтрактивное производство, включая обработку металла резанием, остается основным методом получения готовых изделий, в том числе в высокотехнологичных секторах экономики, таких как аэрокосмическая отрасль. Развитие технологий обработки металлов, повышение требований к скорости и точности резания, а также качеству обработанной поверхности стимулирует дальнейшее исследование задействованных физических и механических процессов, а в этом исследовании существенную роль играет численное моделирование. Численное моделирование также открывает широкие возможности для оптимизации параметров технологических процессов. Основой численного исследования является реалистичная модель, учитывающая наиболее существенные физические процессы. При высокоскоростной обработке металлов определяющую роль играет динамическая пластическая деформация, сопровождающаяся изменением микроструктуры (ростом плотности дислокаций, образованием двойников и субзеренных границ, измельчением зерен и т.д.), а также формирование полос сдвига и разрушение материала по полосам сдвига. Точное и физически содержательное описание этих процессов могут дать континуальные модели с явным учетом микроструктуры за счет введения и отслеживания эволюции внутренних переменных, описывающих состояние микроструктуры материала (плотности дислокаций, концентрации и размера полостей, размера зерна и т.д.). Такие модели активно развиваются и применяются, в том числе авторами проекта, для описания механического поведения металлов в условиях экстремальных динамических воздействий. В то же время, моделирование задач обработки металлов, в том числе в зарубежной литературе, проводится в основном с использованием полуэмпирических моделей, таких как модель Джонсона-Кука, достаточно простых и удобных для инженерных приложений, но имеющих ограниченную области применимости по скоростям деформации и не описывающих изменение микроструктуры материала в процессе обработки. Применение в этой области подходов с явным описанием эволюции микроструктуры даст качественный рост точности и информативности численной модели. Для любой численной модели (определяющего уравнения) существенным элементом является выбор оптимальных параметров для конкретного материала и его исходного микроструктурного состояния. Коллектив проекта имеет существенные наработки в применении методов машинного обучения для параметризации моделей материалов, актуальным будет дальнейшее развитие этих методов в рамках проекта и их применение к конкретным инженерным материалам (нержавеющая сталь, титановый сплав, алюминиевый сплав). Таким образом, задачи проекта включают дальнейшее развитие моделей высокоскоростной пластической деформации и разрушения, развитие методов автоматизированной параметризации моделей на основе машинного обучения с привлечением экспериментальных данных и результатов атомистического моделирования, разработку пакета трехмерного моделирования, применимого для численного исследования высокоскоростной обработки металлов, и решение с его помощью ряда практически-ориентированных задач резания и дробеструйной обработки. Все это определяет научную новизну проекта. Разработка пакета программ для трехмерного моделирования и методик автоматизированной параметризации модели материала позволит создать единый комплекс, который может быть применен к другим металлам и сплавам помимо исследуемых в проекте.