Разработка математических моделей термодеформирования, численных методов их анализа и методов проектирования изделий из перспективных конструкционных и функциональных материалов

Цифровой двойник — это гораздо больше, чем просто численная модель: это виртуализированная версия физической системы, построенная на основе слияния данных с моделями разной точности с использованием современных методов анализа, верификации модели и экспериментальной валидации. Создание цифровых двойников требуют глубоких знаний в области моделирования и глубокого понимания процессов. Они могут обеспечить не только эффективность применения конструкционных и функциональных материалов, но и оптимизацию производства с улучшенными показателями устойчивого развития. Однако ограниченный на данный момент набор данных о свойствах и поведении новых материалов представляет собой серьезное препятствие для разработки цифровых двойников. Интегрированное многомасштабное моделирование материалов и систем — это новая область, которая сочетает в себе новые и существующие методы из широкого круга научных дисциплин для одновременного проектирования и разработки новых материалов, компонентов, структур, процессов и систем. Эти методы основаны на подходах, которые объединяют экспериментальные данные и математическое моделирование для выяснения поведения и механизмов отклика материалов в различных масштабах длины и времени. Новые конструкционные и функциональные материалы — это структурно-чувствительные материалы, механические и теплофизические свойства которых существенно зависят от их внутренней структуры. Методы получения таких материалов весьма разнообразны. Это и создание цельных твердых структур путем их наращивания, например, с использованием процессов плазменного напыления или газофазного осаждения, и компактирование нанопорошков, и т.п. Развитие и совершенствование подобных технологий требуют разработки принципиально новых математических моделей, описывающих процессы, происходящие в структурно-чувствительных материалах как при получении, так и при дальнейшей эксплуатации. Для эффективного и целесообразного применения того или иного структурно-чувствительного материала необходимо располагать не только оценками его термоупругих и теплофизических характеристик, но и данными как о его поведении под действием различных внешних воздействий, так и о взаимодействии с другими материалами, применяемыми в конструкции, а также оценками параметров, при которых реализуются критические состояния в рассматриваемых материалах. Наиболее достоверным методом получения таких сведений, конечно, является эксперимент, однако этот метод является наиболее дорогостоящим и времязатратным. Поэтому гораздо эффективнее использовать методы математического моделирования. Известные на данный момент и хорошо разработанные математические модели термомеханики являются ограниченно применимыми либо неприменимыми вовсе. Таким образом, в силу отсутствия адекватных математических моделей, позволяющих описать поведение материалов в широком диапазоне внешних воздействий, возникает острая необходимость разработки и верификации таких моделей, что является в настоящее время важнейшей научной проблемой. Другой важной проблемой является разработка инструментов (численных алгоритмов, программных комплексов) для реализации и анализа новых математических моделей. Таким образом, проект направлен на разработку и исследование адекватных математических моделей термомеханики перспективных материалов для создания цифровых двойников аэрокосмических изделий (компонентов ракетно-космической техники), а также разработку специального программного обеспечения, позволяющего частично автоматизировать процессы наработки, анализа и сопоставления большого количества данных и альтернативных вариантов решения комплексных многокритериальных задач проектирования ракетно-космических систем и их элементов.