یکی از روش های کاهش اندازه دانه جهت بهبود خواص مکانیکی، استفاده از روش تغییر شکل پلاستیک شدید می باشد. اکستروژن در کانال زاویه دار همسان از جمله این روش ها است که در آن معمولاً یک نمونه فلزی با مقطع گرد و یا مربعی از داخل دو کانال متقاطع با مقطع یکسان عبور داده می شود. در اثر این عبور بدون تغییر سطح مقطع، کرنش پلاستیک بزرگی به نمونه وارد می گردد. این کرنش بالا، توجه محققین در زمینه های تحقیقاتی متعددی را به خود جلب نموده است. در زمینه های تحقیقاتی تجربی محققین در این روش قادر به مطالعه رفتار ماده در کرنش های پلاستیک بزرگ، بررسی رفتار در مراحل کار سختی iii به بعد، تغییر ریز ساختار به زیر میکرون و حتی نانو، افزایش استحکام به مقدار بالا همزمان با حفظ چقرمگی و غیره نام برد. در زمینه های تحقیقاتی تئوری پس از معرفی تغییر شکل پلاستیک شدید، تئوری نابجایی ها، تئوری پلاستیسته کریستال ها، ومعادلات ساختاری در کرنش های بالا تحول زیادی یافتند. در تحقیق حاضر، در ابتدا با استفاده از روش تئوری خطوط جریان و تلفیق آن با روش تئوری حد بالا، یک میدان سرعت-کرنش در حالت دو بعدی ارائه گردیده و بر مبنای آن مقادیر کرنش و نرخ کرنش محاسبه شده است، در نهایت با کمک فرمولاسیون استرین و همکاران، اندازه دانه در ریزساختار پیش بینی شد. نتایج شبیه سازی با نتایج تئوری و تجربی سایر محققین مقایسه شدکه تطابق خوبی بین نتایج آنالیز حاضر و نتایج تجربی حاصل گردید.

فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید روش¬هایی هستند که با استفاده از آن¬ها می¬توان کرنش بسیار بالایی را به یک جامد توده¬ای اعمال نمود بدون اینکه کاهش قابل ملاحظه¬ای در ابعاد کلی این جامد ایجاد شود. برای بدست آوردن خواص بهتر، بر اساس رابطه هال-پچ، از روش پرس زاویه¬ای با مقاطع یکسان استفاده شده و اندازه متوسط دانه¬ها تا حد نانومتر ریز گردیده است. دلیل انتخاب این فرآیند در دسترس بودن تجهیزات آن، قابلیت فرآوری مواد نسبتاً بزرگ، امکان رسیدن به ساختار همگن در سرتا سر نمونه و قابلیت انجام شدن بر روی طیف گسترده¬ای از فلزات بوده است. علیرغم تمام مزایای ذکر شده برای این فرآیند وجود ناپیوستگی¬های احتمالی می¬تواند یکی از معایب بزرگ آن باشد. در واقع به کارگیری این فرآیندها در مواد نیمه ترد یا موادی که تحت چند پاس تغییر شکل قرار گرفته¬اند، موجب بروز ترک می¬گردد. با ادامه تغییر فرم، ترک¬ها به صورت گسترده اشاعه پیدا می¬کنند و سبب ایجاد شکست می¬شوند. لذا به منظور بررسی فرآیند مذکور و پیش¬بینی ناپیوستگی¬های احتمالی بوجود آمده در این فرآیند با استفاده از نرم افزارabaqus و روش المان محدود توسعه یافته، شبیه¬سازی این فرآیند در ابعاد گوناگون انجام گرفته است. در این راستا استفاده از یک مدل مناسب مکانیک آسیب با توجه به اهمیت میکرو ساختار شکل گرفته و در نتیجه نرم شوندگی مدل مادی ضروری به نظر می¬رسد. در مرتبه¬ اول، شبیه¬سازی این فرآیند برای حالت دو بعدی و تحت شرایط کرنش صفحه¬ای انجام گردیده است و پس از رسیدن به شرایط مطلوب و درک صحیح از این فرآیند، در مدل¬سازی با استفاده از روش المان محدود توسعه یافته، موضعی شدن تغییر فرم در مواد مختلف از جمله آلیاژ ti-6al-4v که از جمله آلیاژهای پر کاربرد به خصوص در صنایع دندانپزشکی می¬باشد، مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به تحول ریز ساختار از میکرو به نانو در این فرآیند، کار سختی در مدل مادی دچار کار نرمی نیز می¬گردد. لذا بر اساس مدل etmb که تحولات ریز ساختاری را در اثر تغییر فرم در نظر می¬گیرد، ریز ساختار بعد از تغییر فرم پیش¬بینی می¬گردد.

آزمون فراصوتی یکی از روش های بازرسی غیر مخرب است که به منظور یافتن عیوب داخلی قطعه بدون صدمه زدن به آن، مورد استفاده قرار می گیرد. در راستای توسعه استفاده از آزمون فراصوت همراه با مزایای آن و در عین حال کاهش معایب این تکنیک، ازجمله تماسی بودن آن، روش های جدیدی از قبیل فراصوت ایجادشده توسط لیزر پالسی مورد توجه قرار گرفته است. در این پایان نامه، روش فراصوت لیزری که خود با دو تکنیک دما- ارتجاعی و کندن، تقسیم می شود، با استفاده از روش اجزا محدود، شبیه سازی شده است. در این شبیه سازی، پارامترهای مختلفی از جمله تأثیر حرارت بر خواص ماده، تغییر رفتار ماده در ناحیه پلاستیک، تحلیل همزمان معادلات حرارتی و دینامیکی و اثر تعاملی آن ها در هر لحظه از تحلیل بر روی هم و اثرات تفکیک پذیری زمانی و مکانی کوچک حاکم بر فیزیک مسئله، مدنظر قرار گرفته است، تا مدل هرچه بیشتر به واقعیت نزدیک باشد. سپس صحت مدل شبیه سازی شده از طریق دو روش مشخص شده است. در مواردی که امکان مقایسه با شبیه سازی های سایرین وجود داشت، این کار انجام شده و همچنین با نتایج آزمایش های بدست آمده از کار سایرین نیز مقایسه شده است. سپس با نتایج آزمایش هایی که به صورت موازی با این پروژه انجام می شد، و نمونه ها کاملاً با شرایط مدل هماهنگی داشت، مقایسه شده است. نمونه ها به نحوی طراحی شدند که رفتار عیوب مختلف در برخورد با انواع امواج حجمی تولیدشده توسط لیزر مشخص شوند. تحلیل دقیقی از نتایج شبیه سازی به همراه مقایسه با نتایج حاصل از آزمایش آورده شده است.

امروزه مدل سازی رفتار مواد نانو تحت تغییر شکل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این مدل سازی ها از طریق تحلیل رفتار الاستیک و پلاستیک آنها انجام می شود. اثرات ریز ساختارها از عللی هستند که باعث می شود تئوری کلاسیک مکانیک محیط های پیوسته قادر به انجام این مسایل نباشد. لذا برای بررسی رفتار یک سازه از جنس نانو ساختار احتیاج به استفاده از مدل هایی است که در آنها اثر اندازه در نظر گرفته شود. در این پایان نامه ابتدا روش های مطالعه تغییر شکل بررسی شده و در ادامه لزوم استفاده از تئوری های غیر موضعی و روش های ریاضی آن بیان می شود. از میان این تئوری ها و روش ها، یک روش مناسب توصیف و سپس به طور دقیق تر بررسی می گردد. این روش ها به طور کلی از روند محاسبات پلاستیسیته استفاده می نمایند که نحوه حل معادلات غیر خطی آن توضیح داده خواهد شد. پارامتر مقیاس اندازه از پارامتر های تاثیر گذار روش گرادیان کرنش است که نقش آن روی معادلات ساختاری مربوطه در این کار بررسی شد. یکی از اصلاحات اساسی صورت گرفته در اینجا جدا از بحث در مورد قسمت غیر موضعی، اصلاح محاسبه تنش در حالت کلی برای مسایل کرنش صفحه ای پلاستیسیته می باشد که نرم افزار آباکوس به درستی قادر به انجام آن نبود. در همین راستا با اصلاح این خطا از طریق تصحیح معادلات ریاضی محیط پیوسته، تصحیح محاسبه آن در کد نوشته شده نیز اعمال شد. برای محاسبه گرادیان کرنش، ابتدا گره های همسایه از طریق الگوریتم جستجو مشخص گردید و سپس بر اساس تعریف گرادیان بین گره مورد نظر و گره های مجاور، این مقدار به دست آمد. اولین نمونه مورد آزمایش، کشش و خمش برای صفحه ی فولادی بود که درستی کد نوشته شده در حالت کلاسیک را تایید نمود. سپس شبیه سازی تست کشش برای یک نمونه جسم مستطیل شکل برای بررسی پدیده موضعی شدن صورت گرفت. با توجه به اندازه های داخلی مختلف که مربوط به ریز ساختار آن می شود، نمونه های مختلف مورد آزمایش قرار گرفت و با نتایج تجربی مقایسه شد. در بررسی سوم از معادله ساختاری دیگری که اثر قطر دانه در آن لجاظ می شود، استفاده شد. تغییر قطر دانه ها در رفتار این ماده برای صفحه ترکدار بررسی شد و بر اساس آن توزیع تنش متفاوتی نسبت به نمونه دانه درشت به دست آمد. همچنین قابل ذکر است بر اساس همین معادله ساختاری مقدار پارامتر اندازه نیز محاسبه شد و با مقدار حاصله از مدل تیلور مقایسه شد که تطابق خوبی بین نتایج حاصل شده و نتایج سایر محققان وجود داشت. در ادامه اثر گرادیان کرنش در شبیه سازی رفتار المان نماینده برای جهت گیری متفاوت دانه ها در نزدیکی نوک ترک انجام گرفت. در نهایت توزیع تنش ها و کرنش ها علاوه بر گرادیان کرنش بر اساس اندازه های داخلی متفاوت بررسی شد و رفتار ماده با نتایج تجربی مقایسه شد.

سیلان ناهمبسته به عنوان روشی در بیان تغییر شکل بسیاری از مواد که بررسی نحوه تغییر شکل پلاستیک آنها نیازمند استفاده از مدل های پیشرفته ای است، استفاده می شود. بسیاری از مدل های رایج در شبیه سازی فلزات و آلیاژ ها توانایی پیش بینی پدیده هایی مانند تغییرات چگالی و یا آسیب پدید آمده در قطعات طی روند جوانه زنی، رشد و به هم پیوستگی حفرات را ندارند. از جمله مواردی که نیاز به بررسی موارد فوق به وضوح دیده می شود، تولید قطعات ساخته شده از مواد متخلخل است که تغییر شکل پلاستیک آنها وابسته به فشار های هیدرواستاتیک می باشد. با توجه به بازه گسترده استفاده این مواد، شبیه سازی تغییر شکل غیر الاستیک آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پایان نامه ابتدا روش های مطالعه تغییر شکل بررسی شده و معیارهای تسلیم متداول جهت شبیه سازی تغییر شکل پلاستیک مواد با تسلیم وابسته به فشار هیدرواستاتیک مورد بازبینی قرار گرفت. در این میان مدل گارسون اصلاح شده به دلیل استفاده از متغیرهای مناسب مانند متغیر آسیب، جهت شبیه سازی تیتانیوم متخلخل و مواد آلی مورد استفاده قرار گرفت. سیلان ناهمبسته را می توان به عنوان جایگزینی مدل های قدیمی مانند معیار های میسز و ترسکا با مدل گارسون اصلاح شده در بررسی تغییر شکل پلاستیک مواد با تسلیم وابسته به فشار هیدرواستاتیک در نظر گرفت. از آنجا که بررسی تغییر شکل بزرگ این دسته از مواد از اهمیت ویژه ای در تولید قطعات صنعتی برخوردار است، از روش اجزاء محدود غیرخطی با نمو های کوچک به همراه حل عمومی پلاستسیته غیرخطی استفاده شد. با توجه به حل مسائل این پایان نامه در شرایط کرنش صفحه ای، در گام اول تصحیح الگوریتم پلاستیسیته در مورد این مسائل ارائه گردید. با استفاده از الگوریتم اصلاح شده، تیتانیوم متخلخل به عنوان یکی از رایج ترین مواد جایگزین اندام های آلی تحت آزمون فشار با مقادیر متفاوت تخلخل اولیه، شبیه سازی شد. با بهینه سازی ضرایب موجود در مدل گارسون اصلاح شده، تطابق میان تنش تسلیم محاسباتی و آزمایشگاهی حاصل گردید. به دلیل ناکارآمدی این روش در شبیه سازی مواد آلی، با ارائه تفسیر جدیدی از پارامتر موجود در مدل گارسون اصلاح شده که عموما به عنوان تخلخل و یا آسیب شناخته می شود، روشی نوین در بررسی تغییرات این پارامتر تحت آزمون های فشار تک محوری و مقید شده ارائه گردید که با استفاده از آن، بیشترین تطابق میان نتایج محاسباتی و آزمایشگاهی حاصل شد. الگوریتم ارائه شده، الگوریتم سینماتیکی انطباق و پارامتر محاسبه شده پارامتر تطابق نام گرفت. با استفاده از روش های انطباق منحنی معادلات چندجمله ای، رابطه ی میان پارامتر تطابق به دست آمده و کرنش پلاستیک معادل ارائه گردید. علاوه بر مسائل حل شده تحت آزمون های مختلف فشار، با توجه به اهمیت رشد آسیب در مدهای کششی، مسائل مختلف در راستای بررسی رشد آسیب و همچنین مقایسه ی تغییر شکل ایجادشده با نتایج حاصل از مدل میسز ارائه گردید. با استفاده از روابط کلاسیک تعیین تغییرات آسیب حین تغییر شکل در مورد تیتانیوم با تخلخل در بازه 56 تا 64 درصد به همراه بهینه سازی ضرایب موجود در مدل گارسون اصلاح شده، تطابق مناسب با نتایج آزمایشگاهی حاصل شد. در حالی که استفاده از روابط کلاسیک در بررسی تغییر شکل مواد آلی انحراف زیادی از مشاهدات تجربی را ایجاد نمود. به منظور استفاده از مدل گارسون اصلاح شده جهت شبیه سازی مواد آلی، استفاده از الگوریتم سینماتیکی انطباق به منظور دستیابی به تغییرات بهینه پارامتر تطابق، منجر به انطباق نتایج محاسباتی با نمودارهای تنش-کرنش تجربی شد.