Отчет ИВМ СО РАН за 2008 год

Программы РАН

• Президиум РАН
• Проект № 23 «Модифицирование конструкционных сплавов нанопорошками тугоплавких соединений: влияние состава и состояния исходных материалов на структуру и свойства»
• Проект № 7 «Методы и средства OLAP-моделирования»
• Проект № 8 Моделирование нестационарных процессов в упругопластических и сыпучих средах на многопроцессорных вычислительных системах»
• Проект № 9 «Компьютерная модель глобальной геодинамики»
• Проект 3.7 «Взаимосвязь возмущений и волн в земной магнитосфере»
• Отделение математических наук
• Отделение физических наук
• Отделение наук о Земле

Президиум РАН

Программа № 8 «Разработка методов получения новых химических веществ и создание новых материалов»

Руководитель: д.т.н., проф. Г. Г. Крушенко

Проведенные в 2006–2007 гг. исследования по применению нанопорошков (НП) для модифицирования алюминиевых сплавов и полученные результаты показали значительные положительные эффекты воздействия НП на структуру и свойства сплавов. Учитывая, что процесс формирования кристаллической структуры литых изделий и сварного шва управляется одним и тем же механизмом, были проведены исследования по использованию НП в составе сварочного электрода.

Существуют различные способы и средства измельчения структуры металла сварного шва при получении изделий из сплавов на основе алюминия. Например, путем введения в сварочную ванну модифицирующих элементов (Ti, Zr и др.) в виде лигатур или солей из флюсов. Другой способ упрочнения сварного шва, разработанный в ИТПМ СО РАН, заключается в нанесении на поверхность свариваемых пластин из разнородных металлов (Al-Ti; Ti-сталь) слоя суспензии толщиной 1-2 мм, содержащей наночастицы порошков TiN и Y₂O₃, плакированных хромом. В результате воздействия на суспензию лазерного излучения структурные составляющие сварного шва измельчаются в 2-4 раза, а вместо игольчато-дендритной формируется дисперсная равноосная структура, выравниваются механические характеристики, уменьшаются размер шва и зона термического влияния., и, соответственно, повышаются механические свойства: σ_в — в 1,23-1,35 раза, σ_0,2 — в 1,8-2,0 раза и δ — в 2,0-4,9 раза.

Использование таких способов затруднено необходимостью проведения при сварке дополнительных операций, что снижает производительность процесса. Например, при лазерной сварке для закрепления «наносодержащей» суспензии на свариваемых участках необходимо производить ее подсушку и сложно реализовать ее закрепление на наклонных поверхностях.

Исследования проводились на сварных соединениях из листов алюминиевого деформируемого сплава АМг6 (рис. 17) толщиной 3 мм. Выбор данного сплава обусловлен сложностью обеспечения требуемой прочности сварных конструкций из листов АМг6 при использовании присадной проволоки из этого же материала. Причиной этого является тот факт, что металл сварного шва отличается от металла листа более крупным зерном α-твердого раствора и более крупными выделениями хрупкой интерметаллидной β-фазы Al₃Mg₂ по их границам. Химический состав сплава АМг6: 5,8-6,8% Mg; 0,5-0,8% Mn; 0,02-0,1% Ti; 0,0002-0,005% Be; ост. — Al.

Сварочный электрод изготавливали по технологии получения модифицирующих прутков — совместным прессованием частиц АМг6 (1.7, ...,3 мм) и наночастиц тугоплавких соединений. При сварке применяли пруток-электрод Ø 8 мм, содержащий около 2,0% НП (BN, или LaB₆, или TiCN). Сварку производили с помощью автоматической установки в среде аргона под слоем флюса АН-АЧ.

Экспериментальные исследования проводились на плоских образцах с рабочей частью длиной 50 мм и шириной 15 мм, вырезанных из сваренной конструкции. Предварительно избыточную толщину шва фрезеровали до толщины листа, а для локализации места разрушения по наплавленному металлу рабочую часть в области шва уменьшали до 2,5 мм. Качество шва оценивали по величине предела прочности σ_в.

Рис. 17. Сварное соединение, полученное с использованием сварочного прутка, содержащего нанопорошок TiCN

Как показали результаты испытаний, предел прочности металла шва при сварке прутком, содержащим BN, составляет 333 МПа, LaB₆ — 338 МПа и TiCN — 345 МПа. Эти значения выше, соответственно, на 7,4; 9,0 и 11,3 % чем значения, полученные на образцах из сплава АМг6, сваренные по стандартной технологии электродом из этого же сплава — 310 МПа.

Металлографические исследования, выполненные на микрошлифах образцов углового соединения, показали отсутствие дефектов сварки в виде пор, рыхло и окисных пленов. Форма зерна в основном материале вытянута вдоль направления прокатки, его размеры ∼ 0.3-0.4 мм. Зерно металла сварного шва — мелкое, равноосное, его размеры ∼ 0.01-0.03 мм.

Проведенные исследования показывают перспективные возможности применения технологии сварки алюминиевых сплавов электродами с добавками нанопорошков тугоплавких соединений.

Основные публикации:

1. Иванов А. А., Крушенко Г. Г., Лафетова Т. В., Фильков М. Н.
   Модифицирование алюминиевых сплавов нанопорошками с одновременным воздействуем ультразвуковых колебаний // Литейщик России. — 2008. — № 2. — С. 27-29.

2. Крушенко Г. Г.
   Модифицирование доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов никелем // Расплавы. — 2008. — № 2. — С. 77-80.

3. Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н.
   Автоматизация введения в алюминиевые расплавы наномодификаторов при литье слитков полунепрерывным способом // Проблемы машиностроения и автоматизации. — 2008. — № 2. — С. 107–112.

4. Крушенко Г. Г.
   Некоторые методы подготовки и введения нанопорошковых модификаторов в металлические расплавы // Нанотехника. — 2008. — № 2. — С. 18-21.

5. Иванов А. А., Крушенко Г. Г., Лафетова Т. В., Фильков М. Н.
   Совмещение наномодифицирования алюминиевых сплавов с воздействием ультразвуковых колебаний // Нанотехника. — 2008. — № 2. — С. 27-29.

6. Крушенко Г. Г.
   Изготовление и сварка алюминиевых сплавов пучковыми электродами, содержащими нанопорошки химических соединений // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2008. — № 11. — С. 20-25.

(Отдел машиноведения)

Программа № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий»

Руководитель: д.т.н., проф. Л. Ф. Ноженкова

Разработаны новые методы применения OLAP-технологий (OnLine Analytical Processing — оперативная аналитическая обработка) для информационной поддержки территориального управления. Создан комплекс аналитических моделей для оценки рисков промышленных и бытовых пожаров в сельских районах Красноярского края. Предложены методики расчета и визуализации пожарных рисков различного характера, вычисляемых как на основе показателей опасности (статистические данные о произошедших пожарах), так и показателей уязвимости (географические характеристики территорий, состояние, оснащенность противопожарных формирований и др.).

Система сбора и передачи статистической информации внедрена в деятельность органов управления МЧС, однако методы оперативного анализа информации в противопожарных службах внедрены впервые. Это позволило сократить время получения сводных отчетов об обстановке и работе подразделений с 2-3 дней до нескольких минут. Важным преимуществом методов является гибкая настройка форм выходных документов, возможность формирования отчетов в виде графиков и картограмм. Стандартизованные форматы данных на всех этапах анализа позволяют использовать результаты аналитической обработки в других системах, публиковать информацию в сети Интернет и т.д.

Основные публикации:

1. Ноженкова Л. Ф., Исаев С. В., Ничепорчук В. В., Евсюков А. А., Морозов Р. В., Марков А. А.
   Средства построения систем поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2008. -№ 4. — М. — С. 46-54.

2. Ничепорчук В. В.
   Программные средства оценки рисков чрезвычайных ситуаций. Проблемы совершенствования природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий муниципальных образования субъектов Российской Федерации Сибирского федерального округа //Материалы науч.-практ. конф. — Новосибирск. — 2008. — C. 67-70.

3. Исаев С. В., Морозов Р. В., Ничепорчук В. В.
   Разработка экспертной системы поддержки принятия решений в кризисных ситуациях. Интеллектуальные системы // Тр. IIX Междунар. симпозиума. — М. РУСАКИ. — 2008. — С. 399–403.

(Отдел прикладной информатики)

Программа № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий»

Руководитель: д.ф.-м.н., проф. В. М. Садовский

Разработанный на предыдущих этапах исследований по теме проекта комплекс прикладных программ для численного решения пространственных задач динамики моментной среды на многопроцессорных вычислительных системах оснащен программными средствами сжатия больших массивов данных. Эти средства, во-первых, позволяют многократно снизить сетевой трафик, используемый для копирования файлов данных посредством глобальной сети, при решении задач на кластерах Межведомственного суперкомпьютерного центра (г. Москва), во-вторых, служат для компактного хранения получаемого численного решения в постоянной памяти компьютера. Рассматриваемый метод сжатия данных относится к методам с контролируемой потерей информации. Его идея состоит в представлении пространственного числового массива, полученного в результате аппроксимации некоторой кусочно-непрерывной функции трех переменных, в виде ряда с разделяющимися переменными. Таким образом, вместо дискретного представления исходной функции хранится набор специально построенных функций, зависящих от каждой из пространственных переменных.

В качестве примера на рис. 18 приведено графическое изображение исходного файла данных, моделирующего сферическую ударную волну на сетке из 50х50х50 ячеек (слева), и результата сжатия (справа). Были вычислены 7 членов ряда. Коэффициент сжатия файла — 1/120. Среднеквадратичная относительная погрешность, характеризующая потерянную информацию, равна 1.5 %.

Рис. 18. Результат сжатия файла данных

Основные публикации:

1. Садовская О. В., Садовский В. М.
   Математическое моделирование в задачах механики сыпучих сред // М.: Физматлит. — 2008. — 368 с.

2. Sadovskaya O. V.
   Parallel Computational Algorithm of the Solution of Dynamic Problems for Elastic-Plastic and Granular Materials // WCCM8 — ECCOMAS 2008, CD-Rom Proceedings. CIMNE, Barcelona, Spain. 2 p.

3. Садовская О. В., Садовский В. М.
   Численное моделирование распространения упругопластических волн в блочных средах // Докл. междунар. конф. по математическим методам в геофизике «ММГ-2008» (CD-диск). ИВМиМГ СО РАН. — 2008. — 6 с.

(Отдел вычислительной механики деформируемых сред)

Программа № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы»

Руководитель: чл.-корр. РАН В. В. Шайдуров

Продолжено развитие ранее предложенной компьютерной модели геодинамических процессов расширения, сжатия, разогревания и охлаждения Земли. Динамика геосферы Земли исследуется в рамках модели вязкой сжимаемой среды, когда плотность среды меняется во времени и пространстве. Рассматривается сферически-симметричное течение вязкой теплопроводной среды с учетом гравитационных сил. Уравнения решаются в безразмерной постановке, когда линейные размеры отнесены к радиусу Земли, а остальные величины — к соответствующим характерным значениям на поверхности земного шара.

Для описания процессов сферически-симметричного расширения, сжатия, разогревания и охлаждения Земли используются уравнения Навье-Стокса. Для дискретизации применяется метод конечных элементов с кусочно-линейными базисными функциями.

На рис. 20 и 21 представлены результаты вычислительного эксперимента, который продемонстрировал устойчивость и сходимость построенного алгоритма при измельчении шага сетки. Вместе с тем, он проявил значительную чувствительность к уравнению состояния. Например, отсутствие учёта в используемой модели изменения энергии при фазовых переходах и метаморфизмах пород немедленно приводит к процессу сглаживания скачков плотности на границах Мохоровичича и Вихерта-Гутенберга.

Различие в уравнениях состояния приводит и к некоторым качественным отличиям. Например, для одних уравнений состояния со временем Земля сжимается под действием гравитационных сил и уменьшается в радиусе, а плотность вещества возрастает во всех слоях. Основные геодинамические зоны сохраняются, хотя и становятся более сглаженными. В других случаях внутри Земли возрастает давление, что приводит к расширению слоёв Земли и временному увеличению её радиуса.

Рис. 19. Распределение температуры по радиусу Земли для различных моментов времени под действием гравитационных сил для одного из уравнений состояния

Разработаны теоретические основы для обоснования информационного и методического обеспечения сейсмического мониторинга с целью контроля и прогнозирования очаговых областей сильных землетрясений. Предложен подход для интерпретации энергетических характеристик процесса подготовки сильных землетрясений. Для реализации контроля и прогнозирования сейсмического процесса в очаговой области разработано алгоритмическое и программное обеспечение обработки низкоэнергетических сейсмических сигналов, которое содержит предварительную и сводную обработку записей сейсмических событий в режиме реального времени, а также анализ сейсмической обстановки в очаговых зонах. Конфигурация сети при этом адаптируется к сейсмическим проявлениям, реагируя на ход сейсмического процесса в исследуемой сейсмоактивной зоне, регистрируя низкоэнергетические сейсмические события, ранее недоступные при анализе сейсмического режима.

Традиционные способы изучения сейсмического режима предполагают анализ параметров очаговой области землетрясения, имеющих статистический характер. Для изучения процесса подготовки сильных землетрясений предложен новый подход, где для контроля и прогнозирования выполняется детальный анализ данных о форшоках ожидаемого сильного сейсмического события на основе сейсмического мониторинга выделенных очаговых зон. На примере изучения процесса подготовки Алтайского землетрясения (27 сентября 2003 г.) выявлены следующие особенности процесса формирования сильного сейсмического события:

• наличие определенных структур (устойчивых связей и цикличности), представленных в виде распределения магнитуд индикаторных землетрясений (форшоков) во времени на условных «энергетических диаграммах»;
• наличие «энергетических уровней» и развитие анализируемого процесса в виде стадий, включая стадию активной подготовки сильного землетрясения, проявляющуюся в виде «энергетического клина», который характеризует затишье высокоэнергетических землетрясений и активизацию низкоэнергетических.

Таким образом, установлено, что важнейшим прогностическим признаком подготовки сильного землетрясения является образование так называемого «энергетического клина». Это наблюдение соответствует известной стадии «сейсмического затишья», в период которой снижается энергетический уровень регистрируемых в очаговой области сейсмических событий. При изучении очаговых зон в различных сейсмоактивных регионах установлено, что «энергетические клинья», как правило, четко проявляются при подготовке сильных сейсмических событий с магнитудой 6.0 и более. Этот экспериментальный факт определяет необходимость мониторинга слабоэнергетических событий в очаговых областях путем уплотнения наблюдательной сети мониторинга вокруг потенциального очага сильного землетрясения.

На рис. 20 представлена «диаграмма» подготовки и проявлений Алтайского землетрясения 27.09.2003 г., построенная на основе каталога ГС СО РАН. Показано, что в координатах «магнитуда-время» форшоковый процесс хорошо аппроксимируется линейными зависимостями, которые характеризуют изменения во времени экстремальных значений магнитуд «индикаторных» землетрясений (рис. 21).

Рис. 20. Энергетические признаки подготовки Алтайского землетрясения (27.09.2003)

Сейсмические процессы, связанные с подготовкой и проявлением Бусингольского очага (землетрясение 27.12.1991 г., М=6.5), Хубсугульского очага (землетрясение 10.09. 1992 г., М=5.3), Байкальских землетрясений в период с 1961 по 1992 г. (с магнитудами от 4.0 до 6.5.) анализировались на основе каталогов Института земной коры (ИЗК) СО РАН и Байкальской опытно-методической экспедиции ИЗК СО РАН. Для анализа использовались материалы за 1987 г., полученные на геодинамическом полигоне Токтогул в Киргизии. Были проанализированы также данные Кавказских землетрясений в период с 1961 по 1997 г. (с магнитудами от 4.0 до 6.5), Камчатских землетрясений в период с 1962 по 2003 гг. (с магнитудами от 4.0 до 6.5), катастрофического Иранского землетрясения 26.12.2003 г. и землетрясения в Марокко 24.02.2004 г. (М=6.4). Использовался также каталог очаговой области в районе разлома Сан-Андреас (Калифорния) и другие доступные для анализа данные глобального сейсмического мониторинга. На этих примерах показано, что энергетическая структура форшоковой и афтершоковой стадии содержит информацию о дальнейшем поведении сейсмического процесса и может позволить оценивать время и магнитуду последующих сейсмических событий путем выделения взаимодействующих энергетических уровней.

Рис. 21. Схема описания процесса подготовки сильного землетрясения (в условных энергетических характеристиках): Е_нн — энергия накопления напряжения; Е_рн — энергия разрядки напряжения; Е_о — общая накопленная энергия; Е_с — энергия момента возникновения землетрясения

Основные публикации:

1. Симонов К. В.
   Методы анализа данных геомониторинга и оценка сейсмической опасности // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2008. — № 2. — С. 11-19.

2. Шайдуров В. В., Щепановская Г. И.
   Газодинамическая модель внутреннего строения Земли // Вестник СибГАУ. — 2008. — Вып. 1(18). — С. 79-83.

3. Шайдуров В. В., Щепановская Г. И.
   Компьютерная модель сферически-симметричного внутреннего строения Земли // Вычислительные технологии. — 2008. — Т. 13. — С. 324–331.

4. Вяткин А. В., Шайдуров В. В., Щепановская Г. И.
   Метод конечных элементов в моделировании сферически-симметричных пульсаций Земли // Журнал СФУ. — Математика и физика. — 2008. — Т. 1. — № 3. — С. 247–256.

5. Шайдуров В. В., Щепановская Г. И., Якубович М. В.
   Об одной аппроксимации многомерного уравнения переноса массы // Материалы ХII Междунар. научн. конф. «Решетневские чтения». — Красноярск: СибГАУ. — 2008. — С. 326.

(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»

Блок «Генерация крупномасштабного электрического поля в магнитосфере Земли»

Руководитель: д.ф.-м.н., проф. Н. В. Еркаев

Определены дисперсионных зависимостей для низкочастотных МГД колебаний токового слоя геомагнитного хвоста, существующие при наличии малой неоднородной нормальной компоненты магнитного поля, в случае профиля плотности тока типа «Харриса». Рассчитана форма волновых флэппинг возмущений токового слоя геомагнитного хвоста, инициируемых движущимся источником.

Основные публикации:

1. Korovinskiy D. B., Semenov V. S., Erkaev N. V., Divin A. V., Biernat H. K.
   The 2.5-D analytical model of steady-state Hall magnetic reconnection // J. Geophys. Res. — 2008. — Vol. 113. — A04205. — doi:10.1029/2007JA012852.

(Отдел вычислительной математики)