Проекты

Определение механических характеристик разработанного многокомпонентного сплава на основе алюминия и возможности его использования в качестве материала автомобильного диска методом компьютерного моделирования

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 953
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Перспективными конструкционными материалами являются алюминиевые многокомпонентные сплавы, обладающие рядом уникальных свойств. Создание такого сплава является весьма нетривиальной задачей, так как вариантов состава, даже для трёхкомпонентного сплава, огромное количество. Помимо этого, улучшить сплав можно путём термической обработки, которая, меняя структуру материала, вызывает изменение механических свойств. Мы решили попробовать разработать новый сплав, включающий в себя 5 компонентов, основываясь на литературных данных и собственном научном чутье.

Современные тенденции развития компьютерных технологий предполагают использование симуляций технологических процессов, позволяющих достичь максимальной степени реализации разнообразных новых материалов, а также отработки технических характеристик при использовании материала в изделии. В своей работе мы также хотели показать, как можно использовать компьютерное моделирование физических процессов для испытаний новых материалов и анализа возможности их использования в деталях конструкций.

Цель

Провести механические испытания разработанного многокомпонентного сплава на основе алюминия до и после термической обработки при помощи компьютерного моделирования.

Задачи

  1. Разработать и изготовить сплав на основе алюминия.
  2. Провести термообработку и выяснить её влияние на механические свойства данного сплава.
  3. Провести симуляцию механических испытаний для установления прочностных характеристик.
  4. Построить цифровой двойник для определения возможности использования разработанного сплава в качестве автомобильного диска.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Муфельная печь
  • Твердомер и весы
  • Персональный компьютер с установленным ПО (COMSOL Multiphysics)

Описание

Автор выполнил анализ литературных данных, разработал и получил новый сплав. Выполнив тестирование нового сплава, автор вычислил его важные характеристики. Проведена проверка характеристик сплава в компьютерной симуляции с использованием высчитанных данных. Автор в программе Comsol multiphysics провёл симуляцию продукта, для которого создавался сплав.

Этапы работы:

  1. Анализ литературных данных
  2. Разработка сплава
  3. Создание формы для тестирования
  4. Получение нужной массы компонентов
  5. Плавка и формировка
  6. Подготовка для тестирования
  7. Тест твёрдости методом Виккерса
  8. Перевод значений твёрдости в значения прочности
  9. Создание виртуального образца с использованием полученных данных для тестирования
  10.  Создание цифрового двойника автомобильного диска и тестирование с использованием данных, полученных цифровым моделированием, на возможность использования

Результаты работы/выводы

  • Были получены многокомпонентные сплавы на основе алюминия.
  • Термическая обработка способствовала небольшому размягчению сплава.
  • Проведены виртуальные эксперименты растяжения образцов и получены кривые напряжение-деформация.
  • Симуляция нагружения автомобильных дисков, обладающих свойствами разработанных сплавов, показала, что данные материалы могут быть использованы в автомобилестроении.

Перспективы использования результатов работы

Данный сплав может быть использован для создания различных продуктов.

Компьютерная симуляция может быть использована для предопределения характеристик сплава, для отброса неподходящих вариантов сплава.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИЦ Курчатовский институт

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Конкурс НИЦ Курчатовский институт – участник.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Эта работа была очень познавательна, я узнал много нового»