Nanobuild-5-2014-pages-34-47

Posted onAuthorNanobuildCategoriesБез рубрики

Стр. 34-47

 

УДК 001.57, 691-022.532, 004.942

Моделирование и инструментальные средства численного анализа в нанотехнологиии материаловедения: обзор

 

Авторы: СМИРНОВ Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц., ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии», Московский государственный строительный университет; Ярославское ш., 26, г. Москва, Российская Федерация, 129337, smirnov@nocnt.ru;

КОРОЛЕВ Евгений Валерьевич, д-р техн. наук, проф., директор научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии», Московский государственный строительный университет; Ярославское ш., 26, г. Москва, Российская Федерация, 129337, korolev@nocnt.ru;

ЕВСТИГНЕЕВ Александр Викторович, аспирант, Московский государственный строительный университет; Ярославское ш., 26, г. Москва, Российская Федерация, 129337, aspirant@nocnt.ru

Аннотация к статье (авторское резюме, реферат): Требованием получения строительных материалов с универсальным сочетанием свойств, обеспечивающим расширение областей их применения, обусловлен повышенный интерес к нанотехнологии строительного материаловедения. Рациональное сочетание теоретических исследований, натурного эксперимента и математического моделирования может способствовать снижению затрат времени и ресурсов при разработке наномодифицированных материалов. Методологической основой разработки композита как сложной системы должны стать положения системного анализа, диктующие, в частности, необходимость выделения критериев и последующей классификации методов моделирования. В настоящей работе критерий пространственного масштаба рассмотрен в совокупности с критериями гетерогенности и доминирующего взаимодействия в системе. Предложенная классификация стала основой для систематического анализа доступных моделей, методов и программных средств моделирования структурообразования строительных композитов. Выделены четыре пространственных уровня, соответствующие принятой классификации структурных уровней композита по критерию доминирующего взаимодействия. Для каждого из уровней – от атомно-молекулярного до уровня макроструктуры композита с крупным заполнителем – вы- полнен анализ состояния лежащих в основе моделей структуры теоретических положений, анализ имеющихся моделей и средств численного анализа. На уровне макроструктуры, формирующейся преимущественно под влиянием гравитационных сил и внешних воздействий, для анализа сформировавшейся структуры могут применяться вероятностно-геометрические представления.

Существующие модели позволяют выполнять анализ плотности упаковки и решение связанных задач протекания по каркасу и поровому пространству, в то же время соответствующие программные инструменты, пригодные для систематических исследований в нанотехнологии строительного материаловедения, в настоящее время отсутствуют. На уровне микроструктуры для исследования структурообразования вместе с вероятностно-статистическими методами может быть использован метод частиц; существующие программные инструменты ограниченно пригодны для численного анализа моделей микроструктуры. На атомно-молекулярном уровне для исследования конфигураций и электронной плотности могут привлекаться модели и инструментальные средства квантовой химии. Определение наноструктуры строительного композита как структуры, существенное влияние на формирование которой оказывают размерные эффекты, дано в соответствии с общепринятыми определениями уровней макро- и микроструктуры; для исследования наноструктуры могут применяться как методы квантовой химии, так и методы, соответствующие верхним структурным уровням.

 

Ключевые слова: нанотехнология, строительное материаловедение, дисперсные системы, вычислительная химия, вероятностные модели, метод частиц.

 

DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2014-6-5-34-58

Библиографический список:

  1. Прошин А.П., Данилов А.М., Гарькина И.А., Королев Е.В., Смирнов В.А. Синтез строительных материалов со специальными свойствами на основе системного подхода // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2003. –№ 7. – С. 43–47.
  2. Королев Е.В., Самошин А.П., Смирнов В.А., Королева О.В., Гришина А.Н. Методики и алгоритм синтеза радиационно-защитных материалов нового поколения. – Пенза: ПГУАС, 2009. – 132 с.
  3. Поммершейм Дж.М., Клифтон Дж.Р. Прогнозирование срока службы бетона //Материалы и конструкции. – 1985. – Т. 18, № 1. – С. 21–30.
  4. Королев Е.В. Технико-экономическая эффективность и перспективные строительные материалы // Региональная архитектура и строительство. – 2013. –№ 3. – С. 9–14.
  5. Королев Е.В., Смирнов В.А., Прошин А.П., Данилов А.М. Моделирование эволюции лиофобных дисперсных систем // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2004. – № 8. – С. 40–46.
  6. Прошин А.П., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А. Динамические модели при исследовании кластерообразования в композиционных материалах. Предельные системы // Известия высших учебных заведений. Строительство. –2003. – № 3. – С. 32–38.
  7. Смирнов В.А., Королев Е.В., Иноземцев А.С. Динамическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве. – 2012. – Т. 4, № 3. –С. 26–34. – http://www.nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 30.09.2014)
  8. Смирнов В.А., Королев Е.В. Наномодифицированные эпоксидные композиты //Нанотехнологии в строительстве. – 2012. – Т. 4, № 4. – С. 61–68. – http://www.nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 30.09.2014)
  9. ANSYS. Программное обеспечение имитационного моделирования. http://www.ansys.com/Products (дата обращения: 30.09.2014)
  10. Области применения программных инструментов MSC. http://www.mscsoftware.com/msc-product-portfolio (дата обращения: 30.09.2014)
  11. Dassault Systems. Области применения программного обеспечения Abaqus. http://www.3ds.com/products-services/simulia/portfolio/abaqus/abaqusportfolio (дата обращения: 30.09.2014)
  12. Фуллер У.Б., Томсон С.Е. Подбор состава бетона. Известия Ассоциации гражданских инженеров США. – 1907. – Т. 59. – С. 67–143.
  13. Фенес К.С. К моделированию потока через слой частиц твердого вещества. Бюллетень Министерства горного дела. – 1929. – 307 с.
  14. Йохансен В., Андерсон П. Упаковка частиц и свойства бетона // Бетоноведение. – Вествилль: Ассоциация исследователей керамических материалов США. – 1991. – Ч. II. – С. 111–146.
  15. Стовэлл Т., Ларрад Ф., Бьюл М. Линейная модель упаковки зерновых смесей //Порошковая технология. – 1986. – Т. 48. – С. 1–12.
  16. Главинд М. Оптимизация технологии бетона. Анализ упаковки как средство разработки смеси с минимальной пустотностью // Отчет о НИР. Датский центр бетоноведения. – 1997. – 138 с.
  17. Главинд М., Педерсен Е.Й. Моделирование упаковки при разработке состава бетона // Труды Международной конференции «Бетонные конструкции». – Шотландия, Данди, 1999. – С. 1–10.
  18. Рай Н., Патил С., Батачаржи Б. Подбор состава бетона: метод плотной упаковки // Журнал механики и гражданского строительства. – 2014. – Т. 11, № 2. –С. 34–46.
  19. Смирнов В.А., Королев Е.В., Иноземцев С.С. Стохастическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве. – 2012. – Т. 4, № 1. С. – 6–14. – http://www.nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 30.09.2014)
  20. Хэйл Дж.М. Моделирование методом молекулярной динамики. – Нью-Йорк: Wiley, 1997. – 512 с.
  21. Пресс У.Г., Текульский С.А., Ветерлинг В.Т., Фланнери Б.П. Рецепты программирования численных методов на языке C: искусство программирования в науке. – Кембридж: Изд-во Кембриджского ун-та, 1992. – 965 с.
  22. Запрос поисковой системе Google «Перечень программных средств для численного решения задачи многих тел». – https://www.google.ru/search?q=list+of+nbody+simulation+software (дата обращения: 30.09.2014)
  23. Танака К., Мори Т. Упрочнение кристаллов высокомодульными частицами и волокнами // Основания металлургии. – 1970. – Т. 18. – С. 931–941.
  24. Мори Т., Танака К. Среднее напряжение в матрице и средняя энергия упругой деформации материалов с внедрениями // Основания металлургии. – 1973. –Т. 21. – С. 571–574.
  25. Исследовательская группа Айовского государственного университета /GAMESS. – http://www.msg.ameslab.gov/gamess (дата обращения: 30.09.2014)
  26. Светлячок (ранее GAMESS для ПК). Домашняя страница. – http://classic.chem.msu.su/gran/gamess (дата обращения: 30.09.2014)
  27. Характеристики пакета HyperChem. URL: http://www.hyper.com
  28. Чашкин М.А., Кодолов В.И., Захаров А.И., Васильченко Ю.М., Вахрушина М.А., Тринеева В.В., Зайков Г.Е. Квантово-химическое моделирование // Материалы функционального назначения: разработка, свойства, применение. – Оквилл: Эппл, 2014. – С. 344–359
  29. Смирнов В.А., Королев Е.В., Альбакасов А.И. Размерные эффекты и топологические особенности наномодифицированных композитов // Нанотехнологии в строительстве. – 2011. – Т. 3, № 4. – С. 17–27. – http://www.nanobuild.ru/ru_RU (дата обращения: 30.09.2014)

Full text in PDF format (34 — 47)