Математическое и имитационное моделирование конвективного перемешивания и эволюции гидродинамических полей при аддитивной лазерной сварке разнородных металлов и сплавов

При разработке, конструировании, создании современных технических устройств современной ракетно-космической и транспортной техники требуется создание новых материалов с заранее свойствами. До недавнего времени междисциплинарный подход к дизайну и получению новых материалов был основан преимущественно на экспериментальных исследованиях. Это обусловлено сложностью протекающих физических процессов. Наблюдаемые тенденции сокращения временного промежутка от высказывания научной идеи до конечного технологического и технического воплощения ее в жизнь стимулирует исследователей к разработке математических моделей, основанных на физических представлениях, полученных при скрупулезной обработке данных, которые еще недавно казались фантастическими. К классу очень популярных современных материалов, для которых требуется уточнение и разработка моделей оценки и достоверного прогноза прочностных свойств на всех стадиях синтеза и эксплуатации, относятся слоистые композиты. Проект направлен на решение актуальной фундаментальной проблемы, заключающейся в создании металлофизических основ лазерной сварки разнородных металлов и сплавов, необходимость применения которой продиктована требованиями снижения веса конструкций современных высокоскоростных транспортных средств. Главным требованием при получении сварных соединений разнородных металлов и сплавов является достижение прочности на уровне одного из соединяемых материалов. Прочность в свою очередь определяется фазовым составом и структурой получаемых сварных соединений. Механизмы структурообразования определяются условиями массопереноса и противотечений разнородных расплавленных металлов в сварочной ванне, поскольку именно от них зависят особенности кристаллизации и фазовых превращений при охлаждении зоны переплава. Структурные изменения в зонах термического влияния определяются диффузионным взаимодействием с расплавом сварочной ванны. Очевидно, что все эффекты, которые наблюдаются на макроуровне, будут справедливы при технологическом изготовлении композиционного материала и могут проявляться при его эксплуатации в конструктивных элементах при различных условиях, в том числе в экстремальных. Актуальной инженерной междисциплинарной комплексной задачей, на выполнение которой направлен проект, является разработка методики формирования структурного состояния сварного соединения, при котором обеспечивается его прочность на уровне одного из соединяемых материалов за счет типа и характера распределения фаз, размера их частиц и зерен, действующих при внешнем нагружении механизмов упрочнения и алгоритмов управления прогнозируемыми прочностными свойствами композиционных материалов путем оптимизации (или за счет рационального построения траектории) технологического процесса изготовления. Важность и целесообразность выполнения проекта определяется научной новизной: в установлении общих закономерностей влияния режимов лазерной сварки и химического состава соединяемых материалов на механизмы массопереноса в канале лазерного проплавления, диффузионное взаимодействие с соединяемыми материалами, фазовый состав и микроструктуру зон полученных соединений и их прочность; разработкой алгоритмов управления прочностными свойствами композиционного материала и устойчивости процесса его деформирования (формования для полимерных сред) посредством точных, численных решений уравнений Навье-Стокса в зависимости от неньютоновских реологических свойств вязкого слоя, обеспечивающего заданные функциональные свойства; целостной междисциплинарной методологией выполнения проекта, взаимосвязано использующей подходы, принятые в механике деформируемого твердого тела, гидродинамике неньютоновских сред, теории гидродинамической устойчивости и математической теории управления, что позволяет прогнозировать количественные характеристики прочностных свойств композиционных материалов и управлять ими, то есть создавать так называемые умные композиционные материалы.