Отчет ИВМ СО РАН за 2006 годПрограммы РАН
Президиум РАНПрограмма № 8 «Разработка методов получения новых химических веществ и создание новых материалов» Проект № 23 «Модифицирование конструкционных сплавов нанопорошками тугоплавких соединений: влияние состава и состояния исходных материалов на структуру и свойства»Руководитель: Для определения влияния агрегатного состояния шихты на размер зерна алюминиевых сплавов при модифицировании нанопорошками (НП) тугоплавких соединений были проведены исследования непосредственно в производственных условиях. Роль агрегатного состояния шихты видна из результатов экспериментов по отливке слитков сечением 60х100 мм из алюминия марки А5 при 993 К и скорости вытягивания 0,22 м/с. Часть слитков отливали с использованием первичного жидкого алюминия, температура которого при отборе из электролизера составляла 1123…1143 К. Другую часть отливали с использованием твердой шихты — алюминия той же плавки, но разлитого в чушки и впоследствии расплавленного. Методом первого пузырька было установлено, что содержание водорода в отобранном из электролизера алюминии составляет 0,31х10-4 %, тогда как в алюминии, полученном расплавлением чушек, оно уменьшается в 1,4 раза (до 0,22х10-4 %). Это объясняется понижением растворимости водорода в закристаллизованном алюминии. Величина зерна в поперечном сечении слитков оказалась мельче при использовании твердой шихты по сравнению с жидкой — по периферии в 3 раза, в центральной зоне — в 55,5 раза и в промежуточной — в 2 раза. Более мелкая структура и пониженное газосодержание приводят к получению более высокого уровня механических свойств отлитых с использованием твердой шихты слитков. Временное сопротивление σв образцов, вырезанных из промежуточной и центральной зон слитков при их литье на твердой шихте, выше этой характеристики для образцов на жидкой шихте соответственно на 20,6 и 18,8 %; для периферии эти показатели близки для обоих видов шихты; δ выше для всех трех зон при работе на твердой шихте, чем на жидкой, соответственно на 22,4, 18,6 и 35,2 %. Влияние жидкой шихты проявляется и при использовании для модифицирования НП. Из форкамеры при 993 К сплав Д16 отбирали в мерный тигель, выдерживали его в том же расплаве, а затем без смешивания вводили модифицирующие прутки диаметром 10 мм, содержащие различные НП, после чего производили заливку в металлическую форму проб диаметром 30 мм, высотой 120 мм. Такие же пробы заливали при той же температуре с теми же модификаторами из сплава той же плавки, но предварительно залитого в заготовки и впоследствии переплавленные (твердая шихта). Изучение структуры проб на продольных сечениях показало, что результатом применения жидкой шихты является формирование более крупнокристаллического строения проб. При использовании твердой шихты без модифицирования величина зерна уменьшается в 1,3 раза. Подобные эффекты наблюдались при введении прутков, отпрессованных как из слитков, так и из гранул. Наименьшая степень измельчения имеет место при модифицировании НП VCN — в 4,3 раза, а наибольшая — при использовании НП SiC и B4С — в 15,0 и в 15,5 раза, соответственно. В другой серии экспериментов в качестве жидкой шихты использовали алюминий марки А997, из которого при 973 и 1333 К заливали в стальное кольцо диаметром 54 мм и высотой 30 мм технологические пробы. Анализ структуры проб на шлифах их донной части показал, что в случае заливки с 973 К неперегретого и немодифицированного алюминия средняя площадь зерна составляет 3,8 мм2, а перегретого до 1333 К — 31,0 мм2 (больше в 8,15 раз). В результате введения в такой же расплав НП TiCN зерно уменьшается до 3,2 мм2, что в 1,18 раза меньше исходного и в 9,18 раза меньше зерна проб, отлитых из неперегретого немодифицированного расплава. При модифицировании расплава с более низкой температурой (973 К) и последующей заливкой с этой же температуры зерно уменьшается до 2,42 мм2. Наибольший же эффект измельчения структуры проб, отлитых из перегретого расплава, достигается в результате модифицирования НП TiCN с последующим введением в него 25…30 % твердого алюминия той же марки и при заливке с пониженной до 973 К температуры — 0,96 мм2, что в 3,95 раза меньше исходного и в 32,2 раза меньше перегретого и немодифицированного состояния. Очевидно, в этом случае в дополнение к модифицирующему воздействию НП проявляется и захолаживающий эффект твердой шихты. С целью повышения качества слитков, отливаемых из сплава АМг6, была проведена работа по фильтрованию расплава. Модифицирующие прутки, содержащие НП BN, TaN и SiC, вводили в лоток. Расплав фильтровали в восходящем потоке через последовательно установленные сетки из стеклоткани ССФ-4 и СФФ-0,06. Отлитые слитки гомогенизировали, разрезали на заготовки длиной 550 мм, обтачивали их до диаметра 280 мм и затем на прессе с усилием 3500 тс со скоростями 10,0; 12,5 и 15,0 мм/с прессовали прутки диаметром 35 мм. Стандартные образцы для испытания механических свойств вытачивали из выходного, среднего и утяжного сечений, как в горячепрессованном, так и в отожженном состояниях (нагрев в печи до 583…608 К, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе). С целью определения степени загрязненности сплава неметаллическими включениями из поперечных темплетов слитков вырезали по 8 заготовок для изготовления технологических проб. Изучение шлифов поперечных темплетов слитков показало наличие измельчающего эффекта в результате введения в расплав НП. При анализе микроструктуры серийных слитков выявились грубые скопления интерметаллидов, тогда как в результате введения в расплав НП они раздробляются. Механические свойства образцов в горячепрессованном состоянии оказались более высокими по сравнению со свойствами серийных слитков (σв = 364 МПа; σ0,2 = 192 МПа; δ = 18,1 %). Модифицирование BN без последующей фильтрации повышает σв до 379 МПа (на 4,1 %), TaN (без фильтрации) — до 383 МПа (на 5,2 %) и SiC с последующей фильтрацией — до 378 МПа (на 3,8 %); соответственно повышается и σ0,2 — до 209 МПа (на 8,6 %), до 213 МПа (на 10,6 %) и до 206 МПа (на 7,0 %). При модифицировании TaN δ возрастает до 21,0 % (на 15,4 %), SiC — до 19,2 % (на 5,5 %), но несколько снижается в случае BN. Полученные результаты свидетельствуют о том, что фильтрация не снижает модифицирующее воздействие НП. Более того, при работе с НП SiC коэффициент загрязненности сплава Кср составил всего 0,07 мм2/см2 (Кср = суммарная площадь дефектов на изломах технологических проб / суммарная площадь изломов проб, мм2/см2), что оказалось наиболее близким к серийному слитку, для которого этот показатель оказался равным нулю. В то же время при введении в расплав прутка-свидетеля, отпрессованного из гранул без НП, Кср составляет 1,65 мм2/см2, прутка с НП TaN — 1,47 мм2/см2, а с НП BN — 0,67 мм2/см2. Основные публикации:
(Отдел машиноведения)
Программа № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий» Проект № 7 «Методы и средства OLAP-моделирования»Руководитель: Реализован новый подход в OLAP-технологии (OnLine Analytical Processing — оперативная аналитическая обработка), ориентированный на решение сложных аналитических задач, использующих связные многошаговые расчеты с множеством информационных объектов, представленных многомерными кубами данных. Разработаны языковые, алгоритмические и программные средства, обеспечивающие реализацию сложных аналитических расчётов путем создания комплексов OLAP-моделей, наследующих данные. Разработана и реализована архитектура OLAP-машины, обладающей уникальными функциями использования составных иерархий со сложными оглавлениями в качестве измерений многомерного куба. OLAP-машина включает средства построения витрин данных, средства выполнения произвольных аналитических запросов, средства представления и обработки многомерных данных (многомерный куб, кросс-таблицу, кросс-диаграмму, картограмму). OLAP-машина разработана как совокупность инструментальных средств, которые могут встраиваться в разные приложения и работать с базами данных разных форматов. Созданы технологические компоненты хранилища данных, реализующие поддержку связных многошаговых аналитических расчетов и интерактивных аналитических экспериментов. Разработаны алгоритмические и программные средства для автоматизации создания OLAP-приложений: алгоритм построения компонентной модели MALEVA, инструментальное ядро в виде набора компонент, связанных с OLAP-машиной, среда проектирования экранных форм пользовательского интерфейса, мастер быстрого создания приложений. Предложен формальный подход к описанию существующих OLAP-компонентов через входящие и исходящие информационные потоки и способ их композиции путем построения графа взаимосвязей с добавлением потоков управления на основе модели системных процессов исследуемой предметной области. Предложенный композиционный метод построения пользовательских приложений позволяет реализовать процесс разработки специализированных OLAP-приложений, адаптирующих инструменты аналитического ядра к особенностям задач конечного пользователя. Выполнено апробирование технологии путем реализация комплексов OLAP-моделей и OLAP-приложений для решения задач оперативного анализа данных в разных прикладных областях. Выполнено OLAP-моделирование в задачах анализа медико-демографических данных, планирования медицинской помощи, моделирования сети медицинских учреждений, охраны здоровья матери и ребенка и других. Основные публикации:
(Отдел прикладной информатики)
Программа № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий» Проект № 8 Моделирование нестационарных процессов в упругопластических и сыпучих средах на многопроцессорных вычислительных системах»Руководитель: Разработаны параллельные алгоритмы и программы для численного моделирования процессов распространения волн напряжений в упругой, упругопластической и сыпучей среде относительно криволинейной (цилиндрической, сферической) системы координат. В случае упругой среды дополнительные слагаемые, связанные с представлением модели в криволинейной системе, реализуются на основе метода расщепления по физическим процессам с помощью полностью консервативной схемы Кранка-Николсона второго порядка точности. При учете пластичности и разнопрочности сыпучей среды модель формулируется в виде вариационного неравенства с дополнительными слагаемыми, для учета которых предложено нелинейное обобщение схемы Кранка-Николсона, обладающее теми же свойствами. Создан комплекс прикладных программ для численного решения пространственных динамических задач в рамках моментной теории упругости Коссера, учитывающей независимые вращения частиц среды с микроструктурой, на многопроцессорных вычислительных системах. Комплекс предназначен для расчета волновых полей вектора скорости, вектора угловой скорости, тензора напряжений и тензора моментных напряжений в массиве среды, составленном из разнородных блоков при условии непрерывности скоростей и напряжений на поверхностях раздела. Для тестирования вычислительного алгоритма и программ выполнена серия методических расчетов на кластерах МВС-1000/25 Института вычислительного моделирования СО РАН и МВС-15000 Межведомственного суперкомпьютерного центра. Разработаны программные средства, необходимые для представления результатов расчетов волновых задач на многопроцессорных суперкомпьютерах в форматах SEG-Y международного геофизического общества с последующей обработкой данных в компьютерных системах SeisView или ProMax. Основные публикации:
(Отдел вычислительной механики деформируемых сред)
Программа № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы» Проект № 9 «Компьютерная модель глобальной геодинамики»Руководитель: Разработан способ интерпретации энергетических характеристик индикаторных землетрясений (форшоков) для анализа процесса подготовки сильного землетрясения в исследуемой очаговой области. Выявлены энергетические признаки, характеризующие развитие процесса, в частности, возникновение «энергетического клина», появление энергетического предвестника (К. В. Симонов). Проведен анализ известных из публикаций экспериментальных данных о распределении плотности пород Земли, скорости продольных колебаний, давления и ускорения сил тяжести по глубине. Рассмотрена гипотетическая структура Земли, обусловленная гравитационными силами, когда с течением времени 107 ÷ 108 лет породы, образующие планету, сепарируются в соответствии с их весовыми характеристиками. Эволюция внутреннего строения Земли исследована в рамках модели вязкого сжимаемого газа, когда плотность среды меняется во времени и пространстве. Изучено сферически-симметричное течение вязкой сжимаемой среды под действием гравитационных сил (Г. И. Щепановская). Рассмотрена аппроксимация двумерной задачи Навье-Стокса для вязкого теплопроводного газа по пространству методом конечных элементов. Уточнены краевые условия на границе расчетной области, как фиктивной границе раздела. Полученные краевые условия для уравнений движения на границе расчетной области связывают производные скоростей и давление вблизи границы со стороны расчетной области и во внешней среде. Из тех же соображений обосновано традиционное краевое условие (краевая задача Неймана) для уравнения энергии. Эти краевые условия являются естественными для вариационной (интегральной) постановки, т.е. не накладывают дополнительных условий на подпространства пробных и тестовых функций в отличие от главных краевых условий (типа условий Дирихле). Кроме того, для обеспечения положительности плотности и энергии и возможности описания задачи в терминах гильбертовых пространств соответствующие уравнения выписаны относительно квадратных корней из плотности и энергии. Для аппроксимации по пространству использован метод Бубнова-Галеркина в комбинации с методом линий. В качестве пространства пробных и тестовых функций использовано пространство функций, кусочно-билинейных на квадратных ячейках. Для вычисления интегралов по элементарным областям использована квадратурная формула метода трапеций и его двумерного аналога как декартова произведения. В итоге получена система обыкновенных дифференциальных уравнений по времени относительно четырех векторов, состоящих из значений плотности, скоростей и энергии в узлах квадратной сетки и зависящих от времени. Таким образом, при численном интегрировании на каждом шаге по времени сначала из уравнения неразрывности определяется плотность, используя значения вектора скорости с предыдущего временного слоя, затем совместно интегрируются уравнения движения и энергии, используя вычисленную плотность и значение динамического коэффициента вязкости, определенное по значениям энергии с предыдущего временного слоя. Причем в левой части уравнения энергии значения скоростей используются в качестве коэффициентов и берутся с предыдущего временного слоя. Такая процедура обеспечивает выполнение балансового соотношения для полной энергии в дискретном случае, аналогичного дифференциальному балансовому соотношению для полной энергии. Однако полученные уравнений являются нелинейными. Для предотвращения возникновения искусственной вязкости для дискретизации по времени используется неявная разностная схема Кранка-Николсона, для которой доказана устойчивость (Е. Д. Карепова). Основные публикации:
(Отделы вычислительной математики, вычислительных моделей в гидрофизике)
Программа № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы» Часть 3 «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» Направление 3 «Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой, магнитосферные процессы» Проект № 3.7 «Взаимосвязь возмущений и волн в земной магнитосфере»Блок «Генерация крупномасштабного электрического поля в магнитосфере Земли» Руководитель: На основе идеальной МГД модели выполнены расчеты нестационарных профилей магнитного поля, плотности и давления плазмы между ударной волной и магнитопаузой при резком повороте вектора межпланетного магнитного поля от северного направления к южному. По магнитному полю определен возрастающий со временем электрический ток на магнитопаузе. На основе модели Харриса, сращиваемой с расчетными профилями магнитного поля в переходном слое, рассчитана токовая скорость на магнитопаузе, зависящая от времени. Выполнен анализ условий, при которых возможно развитие модифицированной двухпотоковой неустойчивости на магнитопаузе (Н. В. Еркаев). Основные публикации:
(Отдел вычислительной математики)
|
||||||||||||||||||||||||
| Webmaster |