CC BY
10
УДК 539.37:004.4
КОЛУПАЕВА СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА, докт. физ.-мат. наук,
профессор,
ksn58@yandex. ru
ПЕТЕЛИН АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ, ассистент, aepetelin@gmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПРОГРАММНАЯ ПОДДЕРЖКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
Рассмотрены проблемы, возникающие при создании программной поддержки математического моделирования пластической деформации в кристаллических материалах. Приведен пример реализованного проблемно-ориентированного комплекса программ для исследования процессов кристаллографического скольжения, обеспечивающего высокий уровень поддержки пользователя.
Ключевые слова: пластическая деформация, математическое моделирование, характеристики материалов, автоматизация исследований, программная поддержка, база данных.
KOLUPAEVA, SVETLANA NIKOLAYEVNA, Dr. of phys.-math. sc., prof., ksn@tsuab. ru
PETELIN, ALEKSANDER EUGENJEVICH, assistent, aepetelin@gmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
PROGRAM SUPPORT FOR MATHEMATICAL MODELLING OF PLASTIC DEFORMATION IN CRYSTAL MATERIALS
The problems arising at creation of program support for mathematical modeling of plastic deformation in crystalline materials are considered. The example of the software for research of processes of crystallographic slip providing high level of support for the user is syggested.
Keywords: plastic deformation, mathematical modeling, characteristics of materials, automation of researches, program support, database.
При разработке современных материалов различного назначения, в технологиях их производства используются все более тонкие сочетания физических, химических и механических свойств. Существует тенденция к увеличению роли пластической деформации в технологиях создания и обработки материалов. При исследовании закономерностей протекания процессов на различных структурных и масштабных уровнях, определяющих поведение материалов в различных условиях, невозможно обойтись без совокупности экспериментальных и теоретических методов, как правило, включающих и математическое моделирование.
© С.Н. Колупаева, А.Е. Петелин, 2011
Математические модели при современном уровне вычислительной техники позволяют описывать все более тонкие детали поведения материалов, но при этом становятся все более сложными. По этой причине только создание программной поддержки математической модели делает процесс разработки модели завершенным и позволяет при её реализации в проблемно-ориентированном комплексе программ с интерфейсом, ориентированным на высокий уровень поддержки пользователя, сделать модель доступной сторонним исследователям.
Математические модели, описывающие физические, химические, механические и прочие процессы в материалах содержат достаточно большое число параметров, являющихся характеристиками материала, либо воздействия на него. Для проведения вычислительных экспериментов исследователю необходимо каким-либо образом оценить значения параметров математической модели. Обычно при этом используются результаты независимых экспериментальных и теоретических исследований либо справочная литература. Поиск и выбор значений параметров является непростой задачей, поскольку, как правило, они получены различными авторами с использованием разных методов и условий. Представляется необходимым в проблемно-ориентированных комплексах прикладных программ создание справочной поддержки, позволяющей накапливать и использовать в исследованиях информацию о значениях характеристик материалов при выбранных условиях (например, значений модуля сдвига, модуля Юнга, плотности материала при различных температурах). Для выбора значений параметров, соответствующих заданным условиям вычислительного эксперимента, желательно располагать информацией о методе и условиях, при которых были получены оценки этих параметров. Кроме того, существенно облегчить первичную обработку результатов исследования позволит возможность их визуализации в режиме реального времени, а также наличие хотя бы простейшей статистической обработки.
Одним из примеров реализации такого проблемно-ориентированного комплекса программ является Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip (DDCS), предназначенный для исследования дислокационной динамики кристаллографического скольжения [1-4]. Как составляющие комплекса программ DDCS реализованы три базы данных: база данных характеристик материалов, предназначенная для накопления и эффективной обработки информации о характеристиках различных материалов; библиографическая база данных - для хранения информации библиографического характера, краткой аннотации и пристатейного списка литературы и база данных результатов вычислительных экспериментов, в которой сохраняются полученные результаты и использованные в исследовании значения характеристик материала и воздействия.
В базе данных характеристик материалов для каждого материала сохраняются: значения характеристик; условия, при которых получены эти значения (например, указывается температура, при которой проводился эксперимент); ссылка на источник информации. В качестве ссылки на источник информации может выступать: ссылка на литературный источник (выходные данные статьи, монографии), ссылка на сетевой ресурс (адрес страницы в сети Internet) или полный путь к файлу, находящемуся на компьютере, где уста-
новлен комплекс программ ББС8. Возможно хранение совокупности нескольких перечисленных выше типов ссылок на источник (например, возможно указать выходные данные статьи и адрес сетевого ресурса, где эта статья размещается в электронном виде). В каждой записи базы данных характеристик материалов присутствует поле комментариев, в которой может содержаться дополнительная информация, например, об отзывах на проведенное исследование, особенностях его проведения и пр.
Поскольку зачастую в литературе не указывается ряд характеристик материала, условий эксперимента, при которых проводилось исследование, часть полей в базе данных могут быть незаполненными, пустыми также могут быть поля комментариев.
Для выбора из базы данных значения некоторой характеристики материала исследователю необходимо воспользоваться специальной подпрограммой, интерфейс которой представлен во вкладке Характеристики материала окна Настройки вычислительного эксперимента (рис. 1, 2); выбрать пункт Выбор значений характеристик; в выпадающем списке характеристик материалов выбрать ту характеристику, значение которой необходимо задать; в дереве Литературные источники выбрать материал и литературный источник, в котором представлены необходимые для проведения исследования результаты. Во вкладке График исследователь может просмотреть результаты выбора в графическом виде.
р Настройки вычислительного зксперимента
Вычисление 1 Экспорт Характеристики материала | | Выбор значений характеристик Г рафик
[Г](ШЗ I ^ НастР° йки
Характеристика: (плотность [▼] Интерполяция: |линейная Литературные источники:
а-0 Си а.
0 Б одряков В. Ю., П овзнер А А, Сафонов И. В. Т ермодинамическиС
;.П Зиновьев В.Е. ТеплоФизические свойства металлов при ВЫСОК1-
1.О ЛейбФрид Г. Точечные дефекты в материалам. - М.: Мир. -1981.
Ш □ N1 а П А1 ащ рь Э □ Ад
< I >
По умолчанию
ОК
Сохранить | Сапсе! |
Рис. 1. Вкладка Выбор значений характеристик Рис. 2. Вкладка График
В настоящее время в базе данных накоплена информация о значениях коэффициента вязкого трения, модуля сдвига, плотности материала, коэффициента Пуассона и вектора Бюргерса для металлических материалов с гране-центрированной кубической структурой (меди, никеля, алюминия, свинца, серебра и золота) в зависимости от температуры [3]. При этом база данных характеристик материалов может быть расширена для хранения более широкого набора материалов, их характеристик и условий, при которых они получены.
Поскольку эксперименты обычно проводятся при некотором заданном наборе условий (определенной плотности материала, температуре и пр.), результаты исследований в базе данных представлены в дискретном виде. Для определения значений характеристики материала при промежуточных усло-
виях, например, при температурах, для которых эксперименты в литературных источниках не были описаны, в настоящее время используется линейная интерполяция по известным значениям (поле Интерполяция). Поле Интерполяция выполнено в виде выпадающего списка, поскольку предполагается реализация и других способов интерполяции.
При выборе значений характеристик материалов исследователю приходится учитывать большой объем информации: кто проводил исследования, какими методами, какой материал исследовался. Для накопления информации о результатах теоретических и экспериментальных исследований механизмов, процессов и закономерностей пластической деформации в комплексе программ ББС8 используется библиографическая база данных [4], в которой хранится информация о фамилии, имени и отчестве исследователя; описание результатов исследования; описание метода исследования; пристатейный список литературы; ссылка на источник информации; год(а) исследования. Поскольку информация об исследовании может быть описана в публикации не полностью, некоторые поля в библиографической базе данных могут быть неопределенными (пустыми).
Поиск библиографических данных в комплексе программ ББС8 осуществляется посредством разработанной специализированной подпрограммы Библиографическая база данных (рис. 3). Поиск информации в настоящее время может осуществляться с помощью задания условий поиска по одному или нескольким столбцам (вкладка по столбцам), но предполагается также реализовать поиск данных по дереву поиска (вкладка по дереву поиска) и по запросу пользователя (вкладка по запросу).
^ Библиографическая база данных 1- ЕЕ
1 по столбцам | по дереву поиска | по запросу |
1 Фамилия Результаты Ссылка Материал Год(а) Метод А11
| Е Ibaum С. П олучил значения коз Фициента Gathers G.R. Рассчитал плотность материала і Н ikata А. П олучил значения коз Фициента ;•••• Hixson R.S. Рассчитал плотность материала і 1 kushima А. П олучил з кспериментальные J onson R .А П олучил значения коз Фициента 1+ Kaye G.W. Составил справочник по значению 1+ Laby Т.Н. Составил справочник по значению Winkler М.А. Рассчитал плотность материала Бодряков B.f Провел теоретический расчет < Н ikata А., J onson R. А., Е Ibaum Алюми Gathers G.R. Dynamic methods Медь Н ikata А., J onson R. А., Е Ibaum Алюми Н ixson R. S., Winkler М А. М едь Suzuki Т., 1 kushima А., Aoki М. Медь Н ikata А., J onson R. А., Е Ibaum Алюми Kaye G.W., Laby Т. Н. Т ables of Н икель Kaye G.W., Laby Т.Н. Tables | Нике ль Kaye G.W., Laby Т.Н. Tables of physical and chemical constants. 16th ed., Longm an Sc and Tech, 1995, P. 624. ний 1970 Ультра; 198G ний 1970 Ультра; 1990 1964 ний 1970 Ультра; 1 > 1995 , 1995 1990 200Б Страницы |
Фамилия] Результаты Ссылка | Материал | Гс OK | Cancel A
Выравнивание |По левому краю _▼] Поисі Заголовок | Ссылка Сортировка |Против алфавитного Ш ирина столбца 1161 c со всеми словами | с точной Фразой |~ с любым из слов | без слов
Рис. 3. Интерфейс подпрограммы Библиографическая база данных
Для поиска данных по столбцу исследователю необходимо выбрать этот столбец и в одном или нескольких полях поиска (поля со всеми словами, с точной фразой, с любым из слов, без слов) ввести условие отбора. Могут быть использованы условия отбора тех строк таблицы, где в соответствующих ячейках хранятся: все перечисленные слова (поле со всеми словами); указан-
ная фраза (поле с точной фразой); хотя бы одно из перечисленных слов (поле с любым из слов); ни одно из перечисленных слов (поле без слов). Поиск можно осуществлять по нескольким столбцам. Для этого необходимо указать условия отбора данных в соответствующих вкладках по каждому из столбцов.
Пользовательский интерфейс подпрограммы Библиографическая база данных является интуитивно понятным, реализована возможность настройки элементов пользовательского интерфейса для отображения данных в наиболее удобном и наглядном виде: данные в каждом столбце можно выравнивать по левому, по правому краю или по центру (выпадающий список Выравнивание); изменять заголовки столбцов (поле Заголовок); сортировать данные в прямом или обратном алфавитном порядке (выпадающий список Сортировка); можно изменять ширину столбцов (поле Ширина столбца).
Для хранения и накопления результатов вычислительных экспериментов в комплексе программ DDCS реализована база данных результатов вычислительных экспериментов [5]. Помимо собственно результатов вычислительных экспериментов, в этой базе данных хранятся значения характеристик материалов, используемых при моделировании. В зависимости от настроек пользователя результаты вычислительных экспериментов и используемые значения характеристик материалов сохраняются в базу данных в ходе вычислительного эксперимента либо при его завершении.
Заметим, что реализованные в комплексе программ DDCS базы данных являются универсальными и могут быть использованы не только в комплексе программ DDCS, но и в других программных продуктах.
Библиографический список
1. Петелин, А.Е. Автоматизация исследования кристаллографического скольжения в ГЦК металлах / А.Е. Петелин, С.Н. Колупаева // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316. - № 5. - C. 141-146.
2. Петелин, А.Е. Информационный образовательный ресурс локального доступа <Комплекс программ DDCS для автоматизации исследования кристаллографического скольжения в материалах с гранецентрированной кубической структурой>: свидетельство о регистрации электронного ресурса № 16280 / А.Е. Петелин, С.Н. Колупаева, С.И. Са-мохина. № 50201050031; заявл. 05.10.2010; опубл. 14.10.2010. Алгоритмы и программы № 6. - 1 с.
3. Петелин, А.Е. Организация данных для моделирования кристаллографического скольжения в материалах с гранецентрированной кубической структурой / А. Е. Петелин, С.Н. Колупаева // Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений. Сборник трудов II Международной научно-практической конференции молодых ученых 23-25 ноября 2010 г. - Томск : Изд-во Том. политехи. ун-та, 2010. - С. 429-230.
4. Петелин, А.Е. Библиографическая база данных как компонент комплекса программ Dislocation Dynamics of Crystallographic Slip [Электронный ресурс] / А.Е. Петелин, С.Н. Колупаева // Перспективы развития фундаментальных наук : труды VII Международной конференции студентов и молодых учёных. Томск. - Национальный Исследовательский Томский политехнический университет, 2010. - Условия доступа: http://science-persp.tpu.ru/Previous%20Materials/Konf_ 2010.pdf - С. 639-641.
5. Самохина, С.И. Исследование дислокационной динамики кристаллографического скольжения. База данных программного комплекса DDCS / С.И. Самохина, А.Е. Петелин, С.Н. Колупаева // Прикладные задачи математики и механики: материалы XV Межд. научн. конф. ученых Украины, Беларуси, России. - Севастополь : Издательство СевНТУ, 2007. - С. 274-277.
