Исследование направлено на разработку макроскопической континуальной модели динамической деформации пористых металлов на основе применения искусственных нейронных сетей. Для обучения ИНС используются наборы данных, полученные моделированием сжатия представительных объёмов пористой среды методом гидродинамики сглаженных частиц на основе ранее параметризованной для меди модели дислокационной пластичности. Такое моделирование применяется как для набора обучающих данных, так и для исследования физики деформации пористой меди с порами микрометрового и миллиметрового масштаба.
Идентификаторы и классификаторы
Пористые металлы представляют собой особый класс материалов, обладающих пористой структурой, которая придаёт им уникальные механические, физические и химические свойства. К настоящему времени разработаны металлические материалы с контролируемой пористостью, что позволяет использовать их в различных высокотехнологичных приложениях [1–4]. Эти материалы находят широкое применение в практике благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как лёгкость, высокая прочность, проницаемость, а также тепло- и звукоизоляция. Пористые металлы используются в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и строительной промышленности, а также в производстве фильтров, катализаторов и компонентов для аддитивного производства [5–7]. Их способность эффективно поглощать энергию делает их эффективными материалами для применения в системах защиты и амортизации. Использование пористых материалов в различных отраслях промышленности продолжает расти, что делает их важным объектом исследований и разработок [8–10].
Список литературы
1. Banhart J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams // Progress in Materials Science. 2001. Vol. 46. P. 559-632. EDN: YCWUPJ
2. Banhart J. Aluminum foams: on the road to real applications // Mrs Bulletin. 2003. Vol. 28. P. 290-295. EDN: RUYZNT
3. Va der Voort P., Leus K., De Canck E.Introduction to Porous Materials. John Wiley & Sons, 2019.
4. Ayaz M., Hijji M., Alatawi A. S., Mansour A., Aggoune E. H. M. Advancements in porous metal compounds-based nanomaterials for electrochemical energy conversion // Energy Technology. 2024. С. 2400027.
5. Jafari D., Wits W. W., Geurts B. J. An investigation of porous structure characteristics of heat pipes made by additive manufacturing. 23rd International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC). 2017. P. 1-7.
6. Ho J. Y., Leong K. C., Wong T. N. Experimental and numerical investigation of forced convection heat transfer in porous lattice structures produced by selective laser melting // International Journal of Thermal Sciences. 2019. Vol. 137. P. 276-287.
7. Jafari D., van Alphen K. J., Geurts B. J., Wits W. W., Gonzalez L. C., Vaneker T. H., Gibson I. Porous materials additively manufactured at low energy: Single-layer manufacturing and characterization // Materials & Design. 2020. Vol. 191. P. 108654. EDN: QSRKEF
8. Nakajima H. Fabrication, properties and application of porous metals with directional pores // Progress in Materials Science. 2007. Vol. 52. P. 1091-1173. EDN: XPVJUB
9. Egorov V., O’Dwyer C. Architected porous metals in electrochemical energy storage // Current Opinion in Electrochemistry. 2020. Vol. 21. P. 201-208. EDN: QACCTE
10. a Y., Wang Y., Tong S., Wang Y., Wang Z., Sui R., Yang S. Porous metal materials for applications in orthopedic field: A review on mechanisms in bone healing // Journal of Orthopaedic Translation. 2024. Vol. 49. P. 135-155. EDN: XCTZUH
11. Ozan S., Taskin M., Kolukisa S., Ozerdem M. S. Application of ANN in the prediction of the pore concentration of aluminum metal foams manufactured by powder metallurgy methods // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008. Vol. 39. P. 251-256. EDN: SEUJRG
12. Leema N., Radha P., Vettivel S. C., Khanna Nehemiah H. Characterization, pore size measurement and wear model of a sintered Cu-W nano composite using radial basis functional neural network // Materials and Design. 2015. Vol. 68. P. 195-206. EDN: YBHOOL
13. Hsiang S. H., Kuo J. L. Applying ANN to predict the forming load and mechanical property of magnesium alloy under hot extrusion // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2005. Vol. 26. P. 970-277. EDN: FRPXUU
14. Altinkok N., Koker R. Mixture and pore volume fraction estimation in Al2O3/SiC ceramic cake using artificial neural networks // Materials and Design. 2005. Vol. 26. P. 305-311. EDN: KUKWIJ
15. Raj E. R., Daniel B. S. S. Prediction of compressive properties of closed-cell aluminum foam using artificial neural network // Computational Materials Science. 2008. Vol. 43. P. 767-773. EDN: KMJWQF
16. Rajaka D. K., Kumaraswamidhas L. A., Das S. On the influence of porosity and pore size on AlSi17 alloy foam using artificial neural network // Ciˆencia & Tecnologia dos Materiais. 2017. Vol. 29. P. 14-21.
17. Haghdadi N., Zarei-Hanzaki A., Khalesian A. R, Abedi H. R. Artificial neural network modeling to predict the hot deformation behavior of an A356 aluminum alloy // Materials and Design. 2013. Vol. 49. P. 386-391.
18. Mayer A. E., Krasnikov V. S., Pogorelko V. V. Dislocation nucleation in Al single crystal at shear parallel to (111) plane: molecular dynamics simulations and nucleation theory with artificial neural networks // International Journal of Plasticity. 2021. Vol. 139. P. 102953. EDN: PDGKYZ
19. Mayer A. E., Lekanov M. V., Grachyova N. A., Fomin E. V. Machine-learning-based model of elastic-plastic deformation of copper for application to shock wave problem // Metals. 2022a. Vol. 12. P. 402. EDN: TBOFJJ
20. Gracheva N. A., Lekanov M. V., Mayer A. E., Fomin E. V. Application of neural networks for modeling shock-wave processes in aluminum // Mechanics of Solids. 2021. Vol. 56. P. 326-342. EDN: WPPRZZ
21. Mayer A. E., Krasnikov V. S., Pogorelko V. V. Homogeneous nucleation of dislocations in copper: theory and approximate description based on molecular dynamics and artificial neural networks // Computational Material Science. 2022b. Vol. 206. P. 111266.
22. Latypov F. T., Fomin E. V., Krasnikov V. S., Mayer A. E. Dynamics compaction of aluminum with nanopores of varied shape: MD simulations and machine-learning- based approximation of deformation behavior // International Journal of Plasticity. 2022. Vol. 156. P. 103363. EDN: XDFTMF
23. Latypov F. T., Fomin E. V., Krasnikov V. S., Mayer A. E. Modeling of shock wave propagation in porous magnesium based on artificial neural network // Mechanics of Materials. 2024. Vol. 191. P. 104953. EDN: BNMRAS
24. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics // Reports on Progress in Physics. 2005. Vol. 68. P. 1703-1759. EDN: MEEYOV
25. Pan W., Li D., Tartakovsky A. M., Ahzi S., Khraisheh M., Khaleel M. A new smoothed particle hydrodynamics non-Newtonian model for friction stir welding: Process modeling and simulation of microstructure evolution in a magnesium alloy // International Journal of Plasticity. 2013. Vol. 48. P. 189-204.
26. Li X., Roth C. C., Mohr D. Machine-learning based temperature- and rate-dependent plasticity model: Application to analysis of fracture experiments on DP steel // International Journal of Plasticity. 2019. Vol. 118. P. 320-344.
27. Rodionov E. S., Lupanov V. G., Gracheva N. A., Mayer P. N., Mayer A. E. Taylor impact tests with copper cylinders: Experiments, microstructural analysis and 3D SPH modeling with dislocation plasticity and MD-informed artificial neural network as equation of state // Metals. 2022. Vol. 12. P. 264. EDN: JCNNYT
28. Мурзов C. A., Паршиков А. Н., Дьячков C. A., Егорова М. С., Жаховский В. В. Моделирование стационарных ударных волн в пористом веществе методом SPH // Тр. МФТИ. 2020. Т. 12, № 2. C. 64-75.
29. Kuropatenko V. F. New models of continuum mechanics // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2011. Vol. 84. P. 77-99. EDN: OIBLRN
30. Колгатин С. Н., Хачатурьянц А. В. Интерполяционные уравнения состояния металлов // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20, вып. 3. C. 447-451.
31. Mayer A. E., Khishchenko K. V., Levashov P. R., Mayer P. N. Modeling of plasticity and fracture of metals at shock loading // Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 113. P. 193508. EDN: RFFMPP
32. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 18. P. 015012.
33. Stukowski A.Computational analysis methods in atomistic modeling of crystals // JOM. 2014. Vol. 66. P. 399-407.
34. Kraichikov S. S., Dremov V. V., Sapozhnikov Ph. A. Molecular-dynamics investigation into influence of nanoparticles in spall // AIP Conference Proceedings. 2006. Vol. 845 (1). P. 399-402. EDN: MRGSCT
35. Stukowski A. Structure identification methods for atomistic simulations of crystalline materials // Materials Science and Engineering. 2012. Vol. 20. P. 045021.
36. Goodfellow I., Bengio Y., Courville A. Deep Learning. MIT Press, 2016. Vol. 28. [Электронный ресурс]. URL: http://www.deeplearningbook.org (дата обращения: 14.12.2024).
37. Nielsen M. Neural Networks and Deep Learning, 2019. [Электронный ресурс]. URL: http://neuralnetworksanddeeplearning.com (дата обращения: 14.12.2024).
38. He K., Zhang X., Ren S., Sun J. Delving deep into rectifiers: Surpassing humanlevel performance on imagenet classification // Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision. 2015. P. 1026-1034.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Представлен обзор ключевых эконометрических моделей, адаптированных для анализа процессов в странах с неоднородной освоенностью территорий и различиями в социально-экономической и институциональной структурах. Рассматриваются модели и их модификации, учитывающие территориальную неоднородность. Приводится описание методологии и результатов исследований, использующих пространственные эконометрические подходы к анализу российских данных.
The process of phase formation in the Fe-Sn reaction crucible under current stressing with and without thermal insulation of the outer walls of the crucible was studied. Numerical simulations by means of the Comsol Multiphysics software were performed in order to establish the correlation of the observed features of phase formation with the magnitude of the calculated internal temperature gradients. The impact of temperature gradients on the kinetics of phase formation was established. The necessity of using heat-insulating felts to reach temperature equilibrium in the diffusion zone of a reaction crucible system was demonstrated.
Выполнено полуэмпирическое и первопринципное исследование углеродных соединений, состоящих из взаимопроникающих графиновых слоёв, называемых автоинтеркалированными. В результате расчётов изучена возможность формирования одномерных автоинтеркалированных наноструктур и трёхмерных фаз с упорядоченной структурой на основе шести основных типов графиновых слоёв. Наиболее устойчивые автоинтеркалированные наноструктуры могут быть сформированы только из слоёв α-графина-1 и β1-графина-2, которые характеризуются параметрами трансляции 6.89 и 14.6 ˚A соответственно. Трёхмерные фазы из этих автоинтеркалированных слоёв должны обладать тетрагональной I4/mcm (№ 140) или ромбической Ibam (№ 72) симметрией, размерами каналов от 6.00 до 9.42 ˚A и плотностью от 0.69 до 1.26 г/см3. Молекулярно-динамические расчёты показали, что при температуре 400 К графиновые слои в структуре автоинтеркалированных фаз могут волнообразно деформироваться. Экспериментальную идентификацию новых трёхмерных автоинтеркалированных фаз можно выполнить с помощью расчётных рентгенограмм и абсорбционных рентгеновских спектров.
Выполнено численное моделирование в среде COMSOL Multiphysics процесса химической пропитки из газовой фазы порошка вольфрама с целью установления закономерностей между остаточной пористостью самокомпозита и параметрами синтеза. Также экспериментально исследовано влияние параметров процесса химической инфильтрации из газовой фазы порошка вольфрама на глубину его пропитки и плотность полученных заготовок. Установлено, что главным фактором, обусловливающим максимальную глубину пропитки, является скорость осаждения вольфрама из газовой фазы.
Рассматриваются критические состояния дискретно-неоднородных соединений в условиях плоской деформации. Граница между участками разной прочности предполагается двухзвенной ломаной или содержит такой фрагмент. Исследуются особенности математических моделей таких состояний в виде полей характеристик (линий скольжения). Рассмотрены случаи полной и неполной реализации контактного упрочнения менее прочной части и контактного разупрочнения более прочной части соединения. Впервые показано, что линии разрыва напряжений могут располагаться в менее прочной части соединения, а зоны пластического течения более прочной части могут находиться внутри соединения.
This paper concerns pseudo-classical knots in the non-orientable manifold Σˆ = Σ × [0, 1], where Σ is a non-orientable surface and a knot K ⊂ Σˆ is called pseudo-classical if Kis orientation-preserving path in Σˆ. For this kind of knot we introduce an invariant ∆that is an analogue of Turaev comultiplication for knots in a thickened orientable surface. As its classical prototype, ∆ takes value in a polynomial algebra generated by homotopy classes of non-contractible loops on Σ, however, as a ground ring we use some subring of C instead of Z. Then we define a few homotopy, homology and polynomial invariants, which are consequences of ∆, including an analogue of the affine index polynomial.
We consider several new classes of metrically ρ-almost periodic type functions F: I ×X →Y, where ∅ = I ⊆ Rn, X is an arbitrary non-empty set and Y is a sequentially completelocally convex space. We briefly explain how the introduced notion can be useful in the study of qualitative analysis of solutions for some classes of the abstract Volterra integro-differential inclusions in locally convex spaces.
We establish some generalizations of integral inequalities for Hardy-type operator and its conjugate via Laplace transform. Moreover, some new estimates with Laplace transform are deduced.
The issues of the unique solvability of a Cauchy type problem for a quasilinear equation in a Banach space with several minor fractional derivatives in the nonlinear part and with a linear operator generating an analytical resolving family of operators of a linear homogeneous equation are investigated. Using the Banach contraction mapping theorem, the existence and uniqueness of local and global solutions in specially constructed H¨older type spaces is proved. Abstract results are used for the study of an initial boundary value problem for a modified time-fractional order system of the phase field equations.
Решается задача построения суррогатной модели для быстрого вычисления оценок переобучения семейства пороговых решающих правил. Описан процесс сбора обучающей выборки для модели, которая состоит из пар <объект, ответ>, и каждым объектом является семейство пороговых решающих правил, ответом - оценка обобщающей способности семейства. На основе имеющихся исследований оценок обобщающей способности, проведённых в рамках комбинаторной теории переобучения, сформирован перечень признаков, которые описывают объекты выборки. Рассмотрены модели различной структуры, наилучшей по результатам тестирования выбрана модель нейронной сети с точностью 2.8 %. По итогам анализа значимости признаков показано, что при построении оценок переобучения недостаточно учитывать только количество классификаторов и минимальное число ошибок классификаторов, необходимо использовать внутреннюю структуру семейства (расслоение по числу ошибок) и взаимосвязь между классификаторами (связность). Полученную модель можно использовать в задачах отбора признаков при построении деревьев решений, нейронных сетей и в алгоритмах бустинга для контроля переобучения.
Рассматривается гамильтониан Ландау HB + V, действующий в L2(R2) и возмущённый периодическим электрическим потенциалом V. Предполагается, что магнитный поток η = (2π)-1Bv(K) однородного магнитного поля B > 0 является рациональным числом, где v(K) - площадь элементарной ячейки K решётки периодов Λ потенциалаΛΛlocV. Определяются семейства банаховых пространств Ln (R2; R), которые (как линейные пространства) являются линейными подпространствами пространств Соболева Hn(R2; R), n ∈ N∪{0}, периодических с решёткой периодов Λ функций из Hn (R2; R)Λи которые содержат плотные Gδ-множества O ⊆ Ln (R2; R), такие, что для любого ΛΛэлектрического потенциала V ∈ O и любого однородного магнитного поля с потоком 0 < η ∈ Q спектр оператора HB + V абсолютно непрерывен. В частности, в качестве пространств Ln (R2; R) можно выбирать пространства Hs (R2; R), s ∈ [n, n+1). Такжепри заданных решётке периодов Λ ⊂ R2 и однородном магнитном поле B > 0 приве-Λ дены условия на коэффициенты Фурье периодического электрического потенциала V ∈ Hn(R2; R), n ∈ N ∪ {0}, при выполнении которых и при η ∈ Q спектр оператора HB + V абсолютно непрерывен.
Изучается дифференциальное уравнение математической модели вертикального маятника, в правой части которого содержатся члены с линейным запаздыванием. Исследуемое уравнение имеет нейтральный тип. Такие уравнения встречаются в задачах механики, биологии, в экономике. Исследуется задача стабилизации данной управляемой математической модели. Система содержит два линейных запаздывания. Поскольку эти запаздывания возрастают при t → ∞, стабилизация производится на бесконечном промежутке времени t. Успокоение системы, не содержащей вправой части нейтральных членов, производится с использованием алгоритма стабилизации, предложенного для обыкновенных дифференциальных уравнений. Для дальнейшей стабилизации используется алгоритм стабилизации разностных систем. Приведён конкретный числовой пример и осуществлён поиск численных решений уравнений, получающихся в процессе стабилизации. Для решения уравнений типа Ляпунова и численного подсчёта решений использовался пакет прикладных задач MatLab.
Рассматривается задача Коши для квазилинейного уравнения теплопроводности с переменным коэффициентом теплоёмкости и коэффициентом теплопроводности, пропорциональным температуре. Исходное дифференциальное уравнение с начальными данными приводится к некоторому интегродифференциальному уравнению для образа Фурье искомого решения с начальными данными на положительной полуоси. Интегрирование в полученном уравнении для Фурье-образа решения исходной дифференциальной задачи производится по первому квадранту плоскости независимых переменных. Билинейный интегральный оператор в полученном интегродифференциальном уравнении имеет в качестве ядра функцию от времени и двух неотрицательных переменных интегрирования. Ядро явным образом выражено через переменный коэффициент теплоёмкости исходного дифференциального уравнения.
Доказано существование единственного решения для нелокальных задач сопряжений в прямоугольной области для уравнения в частных производных 3-го порядка, когда при y > 0 уравнение характеристик имеет 3 кратных корня, а при y < 0 имеет 1 простой и 2 кратных корня. С помощью функции Грина и метода интегральных уравнений решение задач эквивалентным образом сводится к решению краевой задачи для следа искомой функции при y = 0, а затем - к решению интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода, разрешимость которого доказывается методом последовательных приближений. Решение задачи при y > 0 строится методом функции Грина, а при y < 0 - сведением задачи к двумерному интегральному уравнению Вольтерра 2-го рода.
Издательство
- Издательство
- ЧЕЛГУ
- Регион
- Россия, Челябинск
- Почтовый адрес
- 454001, Челябинская обл., г. Челябинск, ул. Братьев Кашириных, д.129
- Юр. адрес
- 454001, Челябинская обл, г Челябинск, Калининский р-н, ул Братьев Кашириных, д 129
- ФИО
- Таскаев Сергей Валерьевич (РЕКТОР)
- E-mail адрес
- rector@csu.ru
- Контактный телефон
- +7 (351) 7419767
- Сайт
- https://www.csu.ru/