Zintegrowana obliczeniowa inżynieria materiałowa

Integrated Computational Materials Engineering (ICME) to podejście do projektowania produktów, materiałów, które je zawierają, oraz związanych z nimi metod przetwarzania materiałów poprzez łączenie modeli materiałów w wielu skalach długości. Słowa kluczowe to „zintegrowany”, obejmujący integrację modeli w wielu skalach długości, oraz „ inżynieria ”, oznaczająca użyteczność przemysłową. Nacisk kładziony jest na materiały, tj. zrozumienie, w jaki sposób procesy tworzą struktury materiałowe , w jaki sposób te struktury wpływają na właściwości materiałów i jak wybrać materiały dla danej aplikacji. Kluczowe powiązania to procesy-struktury-właściwości-wydajność. Raport National Academies opisuje potrzebę wykorzystania wieloskalowego modelowania materiałów w celu uchwycenia procesu-struktury-właściwości-wydajności materiału.

Standaryzacja w ICME

Podstawowym wymogiem spełnienia ambitnego celu ICME, jakim jest projektowanie materiałów dla określonych produktów wzgl. Components to integracyjny i interdyscyplinarny obliczeniowy opis historii elementu, począwszy od zdrowych warunków początkowych jednorodnego, izotropowego i wolnego od naprężeń stopu wzgl. fazę gazową i kontynuowanie poprzez kolejne etapy przetwarzania i ostatecznie kończące się opisem początku awarii pod obciążeniem operacyjnym.

Zintegrowana obliczeniowa inżynieria materiałowa to podejście do projektowania produktów, materiałów, które się na nie składają, oraz związanych z nimi metod przetwarzania materiałów poprzez łączenie modeli materiałów w wielu skalach długości. ICME w naturalny sposób wymaga zatem połączenia różnych modeli i narzędzi programowych. Wspólnym celem jest zatem zbudowanie naukowej sieci zainteresowanych stron, koncentrującej się na rozszerzeniu zastosowania ICME w przemyśle poprzez zdefiniowanie wspólnego standardu komunikacji dla odpowiednich narzędzi ICME.

Standaryzacja wymiany informacji

ICMEg concept.jpg

Wysiłki zmierzające do stworzenia wspólnego języka poprzez standaryzację i uogólnienie formatów danych do wymiany wyników symulacji stanowią ważny obowiązkowy krok w kierunku pomyślnych przyszłych zastosowań ICME. Przyszłe ramy strukturalne dla ICME obejmujące szereg akademickich i/lub komercyjnych narzędzi symulacyjnych działających w różnych skalach i połączonych modułowo za pomocą wspólnego języka w postaci znormalizowanej wymiany danych pozwolą na integrację różnych dyscyplin wzdłuż łańcucha produkcyjnego, które do tej pory tylko słabo wchodziły w interakcje. To znacznie poprawi zrozumienie poszczególnych procesów poprzez zintegrowanie historii komponentów pochodzących z poprzednich etapów jako warunku początkowego dla rzeczywistego procesu. Ostatecznie doprowadzi to do zoptymalizowanych scenariuszy procesu i produkcji oraz umożliwi skuteczne dostosowanie określonych materiałów i właściwości komponentów.

Projekt ICMEg i jego misja

Projekt ICMEg ma na celu zbudowanie naukowej sieci zainteresowanych stron, koncentrującej się na rozszerzeniu zastosowań ICME w przemyśle poprzez zdefiniowanie wspólnego standardu komunikacji dla odpowiednich narzędzi ICME. Ostatecznie pozwoli to zainteresowanym stronom ze społeczności elektronicznych, atomistycznych, mezoskopowych i kontinuum czerpać korzyści z dzielenia się wiedzą i najlepszymi praktykami, a tym samym promować głębsze zrozumienie między różnymi społecznościami naukowców zajmujących się materiałami, inżynierami IT i użytkownikami przemysłowymi.

ICMEg stworzy międzynarodową sieć dostawców i użytkowników symulacji. Będzie promować głębsze zrozumienie między różnymi społecznościami (naukami akademickimi i przemysłowymi), z których każda korzysta obecnie z bardzo różnych narzędzi/metod i formatów danych. Harmonizacja i standaryzacja wymiany informacji w całym cyklu życia komponentu iw różnych skalach (elektronicznej, atomistycznej, mezoskopowej, kontinuum) to kluczowa działalność ICMEg.

Misją ICMEg jest

  • ustanowienie i utrzymywanie sieci kontaktów z dostawcami oprogramowania symulacyjnego, rządowymi i międzynarodowymi organami normalizacyjnymi, użytkownikami ICME, stowarzyszeniami w dziedzinie materiałów i przetwarzania oraz środowiskiem akademickim
  • definiowanie i komunikowanie języka ICME w postaci otwartego i ustandaryzowanego protokołu komunikacyjnego
  • stymulowanie dzielenia się wiedzą w dziedzinie wieloskalowego projektowania materiałów
  • zidentyfikować brakujące narzędzia, modele i funkcjonalności oraz zaproponować plan ich rozwoju
  • w celu omówienia i podjęcia decyzji o przyszłych zmianach pierwotnego standardu

Działalność ICMEg obejmuje m.in

  • Organizacja międzynarodowych warsztatów na temat rozwiązań programowych dla zintegrowanej obliczeniowej inżynierii materiałowej
  • Przeprowadzenie badania rynku i ankiety na temat dostępnego oprogramowania symulacyjnego dla ICME
  • Tworzenie i utrzymywanie forum wymiany wiedzy w ICME

Projekt ICMEg zakończył się w październiku 2016 r. Jego głównymi rezultatami są:

  • Podręcznik rozwiązań programowych dla ICME
  • identyfikacja HDF5 jako odpowiedniego standardu plików komunikacyjnych do wymiany informacji o mikrostrukturze w ustawieniach ICME
  • specyfikację opisu metadanych dla mikrostruktur
  • sieć interesariuszy w obszarze ICME

Większość działań uruchamianych w projekcie ICMEg jest kontynuowana przez Europejską Radę Modelowania Materiałów oraz w projekcie MarketPlace

Modelowanie wieloskalowe w obróbce materiałów

Modelowanie wieloskalowe ma na celu ocenę właściwości lub zachowania materiału na jednym poziomie przy użyciu informacji lub modeli z różnych poziomów i właściwości procesów elementarnych. Zwykle rozpoznawane są następujące poziomy, odnoszące się do zjawiska w określonym oknie długości i czasu:

  • Skala strukturalna: równanie różniczkowe cząstkowe elementu skończonego , objętości skończonej i różnicy skończonej są używane do symulacji odpowiedzi strukturalnych, takich jak mechanika ciał stałych i zjawiska transportu w dużych (metrowych) skalach.
    • modelowanie/symulacje procesów: wytłaczanie, walcowanie, formowanie blach, tłoczenie, odlewanie, spawanie itp.
    • modelowanie/symulacje produktów: wydajność, uderzenia, zmęczenie, korozja itp.
  • Makroskala: równania konstytutywne (reologiczne) są stosowane na poziomie kontinuum w mechanice ciała stałego i zjawiskach transportu w skali milimetrowej.
  • Mezoskala: preparaty na poziomie kontinuum są używane z dyskretnymi ilościami w wielu skalach mikrometrowych. „Mezo” to niejednoznaczny termin, który oznacza „pośredni”, dlatego był używany jako reprezentujący różne skale pośrednie. W tym kontekście może reprezentować modelowanie z plastyczności kryształów dla metali, rozwiązania Eshelby'ego dla dowolnych materiałów, metody homogenizacji i metody komórek elementarnych.
  • Mikroskala: techniki modelowania reprezentujące skalę mikrometryczną, takie jak kody dynamiki dyslokacji dla metali i modele pól fazowych dla materiałów wielofazowych. Modele pól fazowych przejść fazowych oraz tworzenia i ewolucji mikrostruktur w skali od nanometra do milimetra.
  • Nanoskal: stosowane są półempiryczne metody atomistyczne, takie jak potencjały Lennarda-Jonesa, Brennera, potencjały metodą wbudowanych atomów (EAM) i potencjały zmodyfikowanych atomów osadzonych (MEAM) w dynamice molekularnej (MD), statyce molekularnej (MS) , Monte Carlo ( MC) i preparaty kinetyczne Monte Carlo (KMC).
  • Skala elektroniczna: Równania Schroedingera są używane w ramach obliczeniowych jako modele teorii funkcjonału gęstości (DFT) orbitali elektronów i wiązań w skali od angstremów do nanometrów.

Istnieje kilka kodów oprogramowania, które działają na różnych skalach długości, takich jak:

Obszerna kompilacja narzędzi programowych istotnych dla ICME jest udokumentowana w Handbook of Software Solutions for ICME

Przykłady integracji modelu

  • Modele w małej skali obliczają właściwości materiałów lub relacje między właściwościami a parametrami, np. granicę plastyczności w funkcji temperatury , do wykorzystania w modelach ciągłych
  • CALPHAD przewiduje energię swobodną jako funkcję składu; model pola fazowego następnie wykorzystuje to do przewidywania powstawania i rozwoju struktury, które można następnie skorelować z właściwościami.
  • Niezbędny składnik do modelowania ewolucji mikrostruktury za pomocą modeli pól fazowych a inne kody ewolucji mikrostruktur to warunki początkowe i brzegowe. Podczas gdy warunki brzegowe można wziąć np. z symulacji rzeczywistego procesu, warunki początkowe (tj. początkowa mikrostruktura wchodząca w rzeczywisty etap procesu) obejmują całą zintegrowaną historię procesu, począwszy od jednorodnego, izotropowego i wolnego od naprężeń stopu. Tak więc – dla udanego ICME – skuteczna wymiana informacji w całym łańcuchu procesu i we wszystkich odpowiednich skalach długości jest obowiązkowa. Modele, które mają zostać połączone w tym celu, obejmują zarówno akademickie i/lub komercyjne narzędzia do modelowania, jak i pakiety oprogramowania symulacyjnego. Aby usprawnić przepływ informacji w ramach tej heterogenicznej różnorodności narzędzi do modelowania, zaproponowano ostatnio koncepcję modułowej, znormalizowanej platformy symulacyjnej. Pierwszą realizacją tej koncepcji jest tzw AixViPMaP® - wirtualna platforma Aachen do obróbki materiałów.
  • Modele procesów obliczają przestrzenny rozkład cech struktury, np. gęstość i orientację włókien w materiale kompozytowym ; modele w małej skali obliczają następnie relacje między strukturą a właściwościami, do wykorzystania w modelach kontinuum ogólnego zachowania części lub systemu
  • Modele w dużej skali wyraźnie łączą się z modelami w małej skali, np. symulacja pęknięcia może zintegrować model deformacji makroskopowej mechaniki ciał stałych z modelem FD ruchów atomów na wierzchołku pęknięcia
  • Zestawy modeli (w dużej skali, w małej skali, w skali atomowej, struktury procesu, właściwości struktury itp.) Komercyjnym liderem w wykorzystaniu ICME w projektowaniu materiałów obliczeniowych jest QuesTek Innovations LLC , mała firma w Evanston, IL, której współzałożycielem jest prof. Greg Olson z Northwestern University . Wysokowydajne stale Ferrium® firmy QuesTek zostały zaprojektowane i opracowane przy użyciu metodologii ICME.
  • Mississippi State University Internal State Variable (ISV) opracowany przez zespół kierowany przez prof. Marka F. Horstemeyera (założyciela firmy Predictive Design Technologies ) został wykorzystany do optymalizacji projektu wahacza poprzecznego Cadillaca, Łożysko silnika Corvette i pokrywa łożyska silnika ze stali proszkowej.
  • ESI Group poprzez swoje ProCast i SYSWeld to komercyjne rozwiązania elementów skończonych stosowane w środowiskach produkcyjnych przez głównych producentów z branży lotniczej, motoryzacyjnej i organizacji rządowych do symulacji lokalnych zmian fazowych materiałów metali przed rozpoczęciem produkcji. PAMFORM służy do śledzenia zmian materiału podczas symulacji wytwarzania kompozytów.

Edukacja

Katsuyo Thorton ogłosił na posiedzeniu Komitetu Technicznego MS&T ICME w 2010 r., że NSF będzie finansować „ Szkołę Letnią ” na ICME na Uniwersytecie Michigan, począwszy od 2011 r. Northwestern zaczął oferować certyfikat Masters of Science w ICME jesienią 2011 r. Pierwszy kurs Integrated Computational Materials Engineering (ICME) oparty na Horstemeyer 2012 został dostarczony na Mississippi State University (MSU) w 2012 r. jako kurs dla absolwentów, w którym uczestniczyli studenci uczący się na odległość [por. Sukhija et al., 2013]. Później nauczano go w 2013 i 2014 roku na MSU również ze studentami kształcenia na odległość. W 2015 roku kurs ICME był prowadzony przez dr Marka Horstemeyera (MSU) i dr Williama (Billa) Sheltona (Louisiana State University, LSU) ze studentami z każdej instytucji poprzez kształcenie na odległość. Celem metodologii przyjętej na tym kursie było wyposażenie studentów w podstawowe umiejętności korzystania z narzędzi obliczeniowych i danych eksperymentalnych dostarczonych przez EVOCD w przeprowadzaniu symulacji i procedur pomostowych do ilościowego określania relacji struktura-właściwości materiałów w wielu skalach długości. Po pomyślnym ukończeniu przydzielonych projektów uczniowie opublikowali efekty uczenia się w zakresie modelowania wieloskalowego na ICME Wiki , ułatwiającą łatwą ocenę osiągnięć uczniów i obejmującą cechy stawiane przez inżynierską komisję akredytacyjną ABET.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Integrated_computational_materials_engineering&oldid=1050849954 ”