Extraction of required information from atomic configurations is crucial for efficient use of molecular dynamics (MD) simulations, and automating this process allows the collection of statistical data to develop and validate physical models and data-driven approaches. Here we update the previously developed pore searching algorithm to automatically detect the events of void nucleation, collapse and coalescence by comparing pairs of atomic configurations. We calculate an intersection matrix, which shows common regions between voids of current and previous time frames, and analysis of this intersection matrix gives a numerical criterion for determination of the considered events. The updated algorithm is verified in the case of small MD system and further used to analyze a large MD system with many hundreds of voids. The predominance of void collapse is confirmed in the case of uniform triaxial tension of solid aluminum, while void coalescence instead of collapse is detected in the case of a more complex loading with axial compression and lateral tension. This dependence of the predominant mechanism on the loading path correlates with previous finite element analysis in the literature. Another interesting finding is a continuing nucleation and collapse of voids far beyond the fracture beginning at a level of negative pressure much lower than the spall strength, which can be attributed to a developed defect structure of material produced by plastic growth of voids.
Идентификаторы и классификаторы
Excessive tensile or shear loading of materials leads to failure, the mechanism of which in most cases is the formation of many voids. Voids can be either rounded for ductile fracture or elongated and narrow (cracks) for brittle fracture. Besides the void growth, the void nucleation, coalescence and collapse are the main events in the development of void ensemble, and these processes attract substantial attention of researchers. Void nucleation are known to be of thermal fluctuation nature and sharply depends on temperature and pressure [1; 2].
Список литературы
1. Kuksin A.Yu., Norman G.E., Pisarev V.V., Stegailov V.V., Yanilkin A.V. Theory and molecular dynamics modeling of spall fracture in liquids. Physical Review B, 2010, vol. 82, no. 17, p. 174101. EDN: OEWHCF
2. Kuksin A., Norman G., Stegailov V., Yanilkin A., Zhilyaev P. Dynamic fracture kinetics, influence of temperature and microstructure in the atomistic model of aluminum.International Journal of Fracture, 2010, vol. 161, no. 1-2, pp. 127-136. EDN: MXMNDV
3. Nemat-Nasser S., Chang S.-N.Compression-induced high strain rate void collapse, tensile cracking, and recrystallization in ductile single and polycrystals. Mechanics of Materials, 1990, vol. 10, no. 1-2, pp. 1-17.
4. Liao Y., Xiang M., Li G., Wang K., Zhang X., Chen J. Molecular dynamics studies on energy dissipation and void collapse in graded nanoporous nickel under shock compression. Mechanics of Materials, 2018, vol. 126, pp. 13-25.
5. Wen P., Demaske B., Phillpot S. R., Spearot D. E., Tao G., Yuan S. Void collapse and subsequent spallation in Cu50Zr50 metallic glass under shock loading by molecular dynamics simulations. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 125, no. 21, p. 215903.
6. Wu W.-D., Shao J.-L. Atomistic study on the dynamic response of the void or helium bubble in aluminum under compression and tension. Journal of Applied Physics, 2020, vol. 127, no. 15, p. 154902. EDN: HMCCFI
7. Latypov F.T., Mayer A.E., Krasnikov V.S. Dynamics of growth and collapse of nanopores in copper.International Journal of Solids and Structures, 2020, vol. 202, pp. 418-433.
8. Latypov F.T., Fomin E.V., Krasnikov V.S., Mayer A.E. Dynamic 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.
9. Nielsen K.L., Dahl J., Tvergaard V. Collapse and coalescence of spherical voids subject to intense shearing: Studied in full 3D.International Journal of Fracture, 2012, vol. 177, no. 2, pp. 97-108. EDN: YWOYCF
10. Longere P., Bhogaraju S., Craciun D. Void collapse/growth in solid materials under overall shear loading. Mechanics Research Communications, 2015, vol. 69, pp. 1-7.
11. Liu Z.G., Wong W. H., Guo T.F Void behaviors from low to high triaxialities: Transition from void collapse to void coalescence.International Journal of Plasticity, 2016, vol. 84, pp. 183-202.
12. Danas K., Ponte Castaneda P. Influence of the Lode parameter and the stress triaxiality on the failure of elasto-plastic porous materials.International Journal of Solids and Structures, 2012, vol. 49, pp. 1325-1342.
13. Seppala E.T., Belak J., Rudd R.E. Three-dimensional molecular dynamics simulations of void coalescence during dynamic fracture of ductile metals. Physical Review B, 2005, vol. 71, no. 6, p. 064112. EDN: HXOOAK
14. Belay O.V., Kiselev S.P. Molecular dynamics simulation of deformation and fracture of a “copper-molybdenum” nanocomposite plate under uniaxial tension. Physical Mesomechanics, 2011, vol. 14, no. 3-4, pp. 145-153. EDN: PDYUVB
15. Pogorelko V.V., Mayer A.E. Influence of copper inclusions on the strength of aluminum matrix at high-rate tension. Materials Science and Engineering: A, 2015, vol. 642, pp. 351- 359.
16. Rawat S., Chaturvedi S. Effect of temperature on the evolution dynamics of voids in dynamic fracture of single crystal iron: a molecular dynamics study. Philosophical Magazine, 2021, vol. 101, no. 6, pp. 657-672.
17. Zhao R., Wang Y., Gong X.Fracture behaviors of double network elastomers with dynamic non-covalent linkages: A molecular dynamics study. Polymer, 2022, vol. 244, p. 124670.
18. Mayer P.N., Mayer A.E. Late stages of high rate tension of aluminum melt: Molecular dynamic simulation. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 120, no. 7, p. 075901. EDN: WVZAKL
19. Mayer P.N., Mayer A.E. Evolution of foamed aluminum melt at high rate tension: A mechanical model based on atomistic simulations. Journal of Applied Physics, 2018, vol. 124, no. 3, p. 035901. EDN: YCLDXN
20. Mayer P.N., Mayer A.E. Size distribution of pores in metal melts at non-equilibrium cavitation and further stretching, and similarity with the spall fracture of solids.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 127, pp. 643-657.
21. Deng X., Zhu W., Zhang Y., He H., Jing F. Configuration effect on coalescence of voids in single-crystal copper under shock loading.Computational Materials Science, 2010, vol. 50, no. 1, pp. 234-238.
22. Peng X., Zhu W., Chen K., Deng X., Wei Y. Molecular dynamics simulations of void coalescence in monocrystalline copper under loading and unloading. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 119, no. 16, p. 165901. EDN: WSVQRF
23. Rawat S., Chaturvedi S. Evolution dynamics of voids in single crystal copper under triaxial loading condition. Philosophical Magazine, 2021, vol. 101, no. 9, pp. 1119-1143. EDN: COWEVC
24. Tu R., Wei N., Pei Y., Liu Y., Zhang F., Zhang D. The effect of compression on the void coalescence under strong dynamic loading. Advances in Materials Science and Engineering, 2022, vol. 2022, p. 9990161.
25. Yang X., Zhao H., Gao X., Chen Z., Zeng X., Wang F. Molecular dynamics study on spallation fracture in single crystal and nanocrystalline tin. Journal of Applied Physics, 2022, vol. 132, no. 7, p. 075903. EDN: IJAJNL
26. Mayer A.E., Mayer P.N. Algorithm for analysis of pore size distribution based on results of molecular dynamic simulations. Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal, 2018, vol. 3, iss. 3, pp. 344-352. EDN: XYNJJZ
27. Mayer A.E., Mayer P.N. Evolution of pore ensemble in solid and molten aluminum under dynamic tensile fracture: Molecular dynamics simulations and mechanical models.International Journal of Mechanical Sciences, 2019, vol. 157-158, pp. 816-832.
28. Mayer A.E., Mayer P.N. Strain rate dependence of spall strength for solid and molten lead and tin.Intenational Journal of Fracture, 2020, vol. 222, no. 1-2, pp. 171-195. EDN: PVSATU
29. Mayer P.N., Pogorelko V.V., Voronin D.S., Mayer A.E. Spall fracture of solid and molten copper: molecular dynamics, mechanical model and strain rate dependence. Metals, 2022, vol. 12, no. 11, p. 1878. EDN: FDJZRK
30. Mayer A.E., Ebel A.A., Al-Sandoqachi M.K.A. Plastic deformation at dynamic compaction of aluminum nanopowder: Molecular dynamics simulations and mechanical model.International Journal of Plasticity, 2020, vol. 124, pp. 22-41.
31. Mayer A.E. Micromechanical model of nanoparticle compaction and shock waves in metal powders.International Journal of Plasticity, 2021, vol. 147, p. 103102.
32. Stukowski A.Computational analysis methods in atomistic modeling of crystals. JOM, 2014, vol. 66, pp. 399-407.
33. Cai Y., Wu H.A., Luo S.N. Cavitation in a metallic liquid: Homogeneous nucleation and growth of nanovoids. Journal of Chemical Physics, 2014, vol. 140, no. 21, p. 214317. EDN: USGELF
34. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO - the Open Visualization Tool. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2010, vol. 18, no. 1, p. 015012.
35. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of Computational Physics, 1995, vol. 117, no. 1, pp. 1-19.
36. Apostol F., Mishin Y.Interatomic potential for the Al-Cu system. Physical Review B, 2011, vol. 83, p. 054116.
37. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals. Physical Review B, 1984, vol. 29, p. 6443.
38. Hoover W.G. Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions. Physical Review A, 1985, vol. 31, no. 3, pp. 1695-1697.
39. Zope R.R., Mishin Y.Interatomic potentials for atomistic simulations of the Ti-Al system. Physical Review B, 2003, vol. 68, no. 2, p. 024102. EDN: MQBCUN
Выпуск
Другие статьи выпуска
The possibility of synthesising ion-substituted forms of hydrated silver antimonates Ag2γH2-2γSb2O6·2H2O has been studied. For the synthesis, the method of mechanochemical activation of the components of an inorganic mixture consisting of polyantimonic acid (PAA) with H2Sb2O6·2H2O composition and silver nitrate with the concentration range (γ) from 0.0 to 1.0 has been applied. The results of studies of the phase composition of the synthesized compounds and their structural features are presented. Using the Rietveld method, the parameters of the crystal lattice of PAA hydrated ionsubstituted silver forms with a pyrochlore-type structure have been refined. The model for the occupation of metal ions by crystallographic positions has been proposed: the framework of the structure of the compounds is formed by 16c- and 48f -positions, in which Sb5+ and O2- are statistically located; hydrated oxonium ions (H3O+) and silver ions occupy 16d- and 8b-positions respectively. It has been shown that the synthesis of silver forms of PAA is preferably carried out by the mechanochemical synthesis, which results in the complete substitution of proton groups by silver ions in the structure of the compounds.
Численно моделируются процессы формирования и распространения плоских волн гибридной детонации в смесях водород-кислород-аргон с частицами алюминия размером от 3.5 до 13 мкм различной загрузки. Используется физико-математическая модель приведённой кинетики горения водорода и горения алюминия с учётом образования твёрдого оксида и газообразных субокислов. Установлено стабилизирующее влияние частиц алюминия на течение, увеличение скорости детонации и пиковых давлений и температур. На промежуточной стадии формируются временные двухфронтовые конфигурации. По мере распространения фронты сближаются, структуры преобразуются в однофронтовые. Проанализированы установившиеся структуры Чепмена - Жуге и их отличия от структур газовой детонации.
Рассматриваются условия нагружения тонкостенной цилиндрической оболочки, содержащей кольцевой слой из менее прочного материала, при её осевом сжатии и внутреннем давлении. Такими оболочками являются магистральные трубопроводы из бесшовных труб большого диаметра, содержащие кольцевые монтажные швы. Основной материал оболочки и материал слоя - упругопластические упрочняемые. Пределы прочности и текучести у слоя ниже, чем эти величины у основного материала оболочки. Цель статьи - установить зависимости критических деформаций, напряжений и давлений на оболочку от её механических и геометрических параметров и условий нагружения. Метод исследования основан на применении критерия Свифта - Марциньяка потери стабильности процесса пластического деформирования материала с использованием новых аппроксимаций диаграмм деформирования. Получены явные аналитические выражения для искомых величин. Результаты позволяют определять критические давления и осевые нагрузки при данных условиях нагружения и толщины стенок трубопроводов при заданном рабочем давлении.
By the aid of Appell, Humbert and Bessel functions, the integral representations for a Kamp´e de F´eriet function are found. The validity of integral representations for a Kamp´e de F´eriet function of general form are proved. Conditions, under which these representations are expressed in terms of products of two generalized hypergeometric functions are found. Examples, in which the integral representation of the Kamp´e de F´eriet function containing Appell, Humbert or Bessel functions, are identified.
Рассматривается некоторый класс систем нелинейных дифференциальных уравнений с бесконечным распределённым запаздыванием. Предполагается, что коэффициенты в линейных членах являются T -периодическими, нелинейное слагаемое является непрерывной, липшицевой по части переменных вектор-функцией и имеет порядок малости больше единицы. Такие системы дифференциальных уравнений возникают при моделировании различных процессов, возникающих в биологии, химии, физике, экономике. В работе предложен функционал Ляпунова - Красовского, на основе которого установлены достаточные условия экспоненциальной устойчивости нулевого решения рассматриваемого класса систем, указаны оценки на множество притяжения нулевого решения и оценки на норму решения начальной задачи, характеризующие экспоненциальное убывание на бесконечности. Все параметры, участвующие в оценках, указаны в явном виде. Установленные в работе условия экспоненциальной устойчивости нулевого решения выражены в терминах интегрального неравенства. Также получены условия глобальной экспоненциальной устойчивости нулевого решения.
Обоснована новая модель пластины Тимошенко, которая может контактировать боковой поверхностью или нижней кромкой лицевой поверхности (относительно выбранной системы координат) с жёстким препятствием заданной конфигурации. Недеформируемое препятствие задаётся цилиндрической поверхностью, образующие которой перпендикулярны срединной плоскости пластины, а также частью плоскости, которая параллельна срединной плоскости. Соответствующая вариационная задача формулируется в виде минимизации функционала энергии над невыпуклым множеством допустимых перемещений. Множество допустимых перемещений задаётся с учётом условия закрепления и условия непроникания. Условие непроникания задаётся в виде системы неравенств, описывающих два случая возможных контактов пластины и жёсткого препятствия. Именно эти два случая соответствуют разным типам контакта: боковым краем пластины и нижней кромкой пластины. Доказано существование решения задачи. В частном случае, когда зоны контакта заранее известны, получена эквивалентная дифференциальная постановка в предположении дополнительной регулярности решения вариационной задачи.
Изучаются новые нелокальные краевые задачи с интегро-дифференциальным граничным условием для нестационарных дифференциальных уравнений соболевского типа четвёртого порядка. Особенностью изучаемых задач является то, что в них в граничном условии содержатся производные как по пространственным переменным, так и по временн´ой переменной. Для исследуемых задач доказаны теоремы существования и единственности регулярных решений, имеющих все обобщённые по С. Л. Соболеву производные, входящие в соответствующее уравнение.
Рассматривается линейная дифференциальная игра с импульсным управлением первого игрока. Возможности первого игрока определяются запасом ресурсов, который он может использовать при формировании своего управления. Управление второго игрока стеснено геометрическими ограничениями. Вектограммы игроков описываются одним и тем же шаром с разными радиусами, зависящими от времени. Считается, что второй игрок в момент времени, заранее неизвестный первому игроку, может один раз поменять свою динамику. Терминальным множеством в игре является шар с заданным радиусом. Цель первого игрока заключается в том, чтобы в заданный момент времени привести фазовый вектор на терминальное множество. Цель второго игрока противоположна. Найдены необходимые и достаточные условия встречи с терминальным множеством в заданный момент времени. Построены соответствующие управления игроков, которые гарантируют достижение поставленных перед ними целей.
Рассматривается система нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений большой размерности с параметром. Исследованы асимптотические свойства решений этой системы в зависимости от роста количества уравнений или параметра. Доказано, что при достаточно большом числе дифференциальных уравнений последняя компонента решения задачи Коши является приближённым решением начальной задачи для одного дифференциального уравнения с запаздыванием. При фиксированном количестве уравнений и достаточно большом параметре решение задачи Коши для исходной системы является приближённым решением задачи Коши для системы более простого вида.
Рассматривается первая краевая задача в цилиндре для псевдогиперболического уравнения с переменными коэффициентами. Доказывается теорема о существовании и единственности обобщённого решения краевой задачи в соболевском пространстве. Получены оценки на решение.
23 ноября 2023 года исполнилось бы 90 лет Салахитдинову Махмуду Салахитдиновичу — видному учёному-математику, доктору физико-математических наук, профессору, академику АН Республики Узбекистан.
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/