Моделирование как метод физической мезомеханики
Современная теория дислокаций в кристаллах позволяет качественно объяснить многие закономерности поведения твердых тел в различных условиях нагружения. И первое время казалось, что достаточно преодолеть чисто математические трудности описания сложного поведения дислокационных ансамблей на микроуровне, чтобы теоретически рассчитать макроскопические характеристики деформируемого твердого тела. Од
нако рассчитать кривую «напряжение – деформация» на основе только микроскопических представлений теории дислокаций не удалось до сих пор. Все попытки прямого перехода от микроподходов физики к макроподходам механики оказались безуспешными.
В последние два десятилетия стало ясно, что подобные попытки в принципе обречены на неудачу.
Нужно было искать нетрадиционный подход. Он формировался продолжительное время на основе накопления экспериментальных данных, которые не укладывались в общепринятые представления. Назревала необходимость рассмотрения процессов, развивающихся в деформируемом твердом теле на промежуточном между микро- и макромасштабном уровнями, так называемом мезоскопическом масштабном уровне. Однако это было осознано не сразу.
Первым проявлением мезоскопических эффектов в коллективном поведении дислокационных ансамблей было обнаружение ячеистых дислокационных структур. Разориентация между ячейками непрерывно возрастала в ходе деформации, что свидетельствовало об их движении как самостоятельных мезообъемов по схеме «сдвиг + поворот». В деформируемом материале на мезомасштабном уровне формировалась диссипативная структура, которая играла сугубо функциональную роль, обеспечивая вихревой характер пластического течения. Но в рамках силовых моделей теории дислокаций ячеистая дислокационная структура долгое время интерпретировалась только как «субструктурное упрочнение».
Важный этап в формировании мезоскопического подхода связан с систематическими исследованиями закономерностей фрагментации среды. Для описания фрагментации был привлечен аппарат теории дисклинаций. Но механизмы фрагментации на первом этапе в основном связывались с большими пластическими деформациями. Они описывались в терминах дефектов кристаллической решетки, а это принято классифицировать как микромасштабный подход к описанию пластической деформации и разрушения.
Идея многомасштабности явлений в твердых телах и их связи с мезоструктурой впервые была высказана в [4]. Применительно к пластической деформации и разрушению многомасштабность процессов была сформулирована в [17] как концепция структурных уровней деформации твердых тел. Более подробно эта концепция была развита в [18].
Структурные уровни деформации относятся к классу мезоскопических масштабов. Поэтому в литературе их часто называют мезомасштабными уровнями деформации. При этом не всегда осознается, что мезоскопический подход является принципиально новой парадигмой, качественно отличной от методологии механики сплошной среды (макромасштабный подход) и теории дислокаций (микромасштабный подход).
Два прошедших десятилетия были связаны с интенсивной разработкой мезомасштабного подхода к исследованию пластической деформации и разрушения твердых тел. Они привели к формированию нового научного направления — физической мезомеханики. Первые шесть международных конференций, посвященных физической мезомеханике, были проведены на базе Института физики прочности и материаловедения СО РАН (в г. Томске и близ озера Байкал). На международной конференции «Mеsofrасturе’96» в г. Томске было предложено проводить данные конференции в разных странах раз в два года. Такие конференции были впоследствии проведены в Израиле, Китайской народной республике, Дании. Внеочередная конференция «Mеsomесhаniсs’2003» будет проведена в Японии, а перед ней Intеrnаtionаl Workshoр on Mеsomесhаniсs пройдет в г. Томске. Конференция «Mеsomесhаniсs’2004» будет проходить в Греции. С 1998 года в г. Томске на базе Института физики прочности и материаловедения СО РАН издается на русском и английском языках международный журнал «Физическая мезомеханика».
4. Моделирование как средство экспериментального исследования
Моделирование всегда используется в комплексе с другими общенаучными и специальными методами. Теснее всего моделирование связано с экспериментом.
Попробуем разобраться, в чем отличие модели в как средства экспериментального исследования в сравнении с иными экспериментальными средствами. Анализ материальных моделей как средств, орудий экспериментирования нуждается в рассмотрении отличий тех экспериментов, в которых применяются модели, от тех, где они не используются. Интересны те изменения, которые вносит в эксперимент использование в нем модели.
Обращение эксперимента в один из главных видов практики, протекавшее одновременно с развитием науки, стало доступным, благодаря широкому применению естествознания в производстве, что в свою очередь стало следствием первой промышленной революции, начавшей эпоху машинного производства.
«Специфика эксперимента как формы практической деятельности в том, что эксперимент выражает активное отношение человека к действительности». [25] На фоне этого, в марксистской гносеологии проводится четкая граница между экспериментом и научным познанием. Хотя всякий эксперимент не обходится без наблюдения как необходимой стадии исследования. Также в эксперименте кроме наблюдения присутствует и такой немаловажный для революционной практики признак как активное вмешательство в ход изучаемого процесса.
Под экспериментом понимается «вид деятельности, предпринимаемой в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящий в воздействии на изучаемый объект(процесс) посредством специальных инструментов и приборов». [24, С.301]
Есть особая форма эксперимента, которой характерно применение действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. Это называется модельным экспериментом.
В отличие от простого эксперимента, где средства эксперимента находятся во взаимосвязи с объектом исследования, здесь взаимодействия нет, поскольку эксперимент проводят не с объектом, а с его моделью. При этом моделью является не только объект-заместитель, но и экспериментальная установка, «сливающаяся» с ним в единое целое. Таким путем, выслеживается двойная роль, выполняемая моделью в эксперименте: она параллельно является и объектом изучения и экспериментальным средством.
Для модельного эксперимента, по мнению ряда авторов [4,23,24], свойственны следующие основные операции:
переход от натурального объекта к модели - построение модели (моделирование в собственном смысле слова).
экспериментальное исследование модели.
переход от модели к натуральному объекту, заключающийся в переносе результатов, полученных при исследовании, на этот объект.
Модель может не только заменять объект исследования в эксперименте, но также способна замещать и условия исследования некоторого объекта.
Простой эксперимент подразумевает присутствие теоретического аспекта только в начале изучения — создание гипотезы, ее анализ и т.п., теоретический момент, связанный с конструированием установки, а также на завершающей стадии — обсуждение и обработка полученных данных, их обобщение; в модельном эксперименте нужно при том обосновать отношение подобия между моделью и натуральным объектом и возможность экстраполировать на этот объект полученные данные [15].
Скачать реферат