Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Интегрированная вычислительная инженерия материалов (ICME) - это подход к проектированию продуктов, материалов, из которых они состоят, и связанных с ними методов обработки материалов путем связывания моделей материалов в различных масштабах длины. Ключевые слова: «Интегрированный», подразумевающий интеграцию моделей в различных масштабах длины, и « Инжиниринг », означающий промышленную полезность. Основное внимание уделяется материалам, то есть пониманию того, как процессы создают структуры материала , как эти структуры определяют свойства материала и как выбирать материалы для конкретного применения. Ключевыми звеньями являются процессы-структуры-свойства-производительность. [1] Отчет национальных академий [2]описывает необходимость использования многомасштабного моделирования материалов [3], чтобы зафиксировать процесс-структуры-свойства-характеристики материала.

Стандартизация в ICME [ править ]

Основное требование для достижения амбициозной цели ICME по разработке материалов для конкретных продуктов, соответственно. Компоненты - это комплексное и междисциплинарное вычислительное описание истории компонента, начиная с нормального начального состояния однородного, изотропного и свободного от напряжений расплава, соответственно. газовая фаза и продолжение последующих стадий обработки и, в конечном итоге, заканчивается описанием начала отказа при рабочей нагрузке. [2] [4]

Интегрированная вычислительная инженерия материалов - это подход к проектированию продуктов, материалов, из которых они состоят, и связанных с ними методов обработки материалов путем связывания моделей материалов в различных масштабах длины. Таким образом, ICME, естественно, требует сочетания множества моделей и программных инструментов. Таким образом, общей целью является создание научной сети заинтересованных сторон, сосредоточенных на продвижении ICME в промышленное применение путем определения общего стандарта связи для соответствующих инструментов ICME. [5] [6]

Стандартизация обмена информацией [ править ]

ICMEg concept.jpg

Усилия по созданию общего языка путем стандартизации и обобщения форматов данных для обмена результатами моделирования представляют собой важный обязательный шаг к успешным будущим приложениям ICME. Будущая структурная основа для ICME, включающая множество академических и / или коммерческих инструментов моделирования, работающих в разных масштабах и модульных, связанных между собой общим языком в форме стандартизированного обмена данными, позволит интегрировать различные дисциплины в производственной цепочке, которая к настоящему времени уже существует. только почти не взаимодействовал. Это существенно улучшит понимание отдельных процессов за счет интеграции истории компонентов, происходящей из предыдущих шагов, в качестве начального условия для фактического процесса.В конечном итоге это приведет к оптимизированным сценариям процесса и производства и позволит эффективно адаптировать конкретные материалы и свойства компонентов.[7]

Проект ICMEg и его миссия [ править ]

Проект ICMEg [8] направлен на создание научной сети заинтересованных сторон, сосредоточенных на продвижении ICME в промышленное применение путем определения общего стандарта связи для соответствующих инструментов ICME. В конечном итоге это позволит заинтересованным сторонам из электронных, атомистических, мезоскопических и континуальных сообществ извлекать выгоду из обмена знаниями и передовым опытом и, таким образом, способствовать более глубокому взаимопониманию между различными сообществами ученых-материаловедов, ИТ-инженеров и промышленных пользователей.

ICMEg создаст международную сеть поставщиков и пользователей моделирования. [9] Это будет способствовать более глубокому взаимопониманию между различными сообществами (академическими кругами и промышленностью), каждое из которых теперь использует совершенно разные инструменты / методы и форматы данных. Гармонизация и стандартизация обмена информацией на протяжении жизненного цикла компонента и в различных масштабах (электронном, атомистическом, мезоскопическом, континуальном) являются ключевыми направлениями деятельности ICMEg.

Миссия ICMEg -

  • установить и поддерживать сеть контактов с поставщиками программного обеспечения для моделирования, правительственными и международными органами стандартизации, пользователями ICME, ассоциациями в области материалов и обработки и академическими кругами.
  • для определения и передачи языка ICME в форме открытого и стандартизованного протокола связи
  • стимулировать обмен знаниями в области дизайна многомасштабных материалов
  • выявить недостающие инструменты, модели и функции и предложить план их развития
  • обсудить и принять решение о будущих поправках к первоначальному стандарту

Деятельность ICMEg включает:

  • Организация международных семинаров по программным решениям для комплексной инженерии вычислительных материалов [9]
  • Проведение рыночного исследования и обзора доступного программного обеспечения для моделирования для ICME [8]
  • Создать и поддерживать форум для обмена знаниями в ICME [8]

Проект ICMEg завершился в октябре 2016 года. Его основные результаты:

  • Справочник по программным решениям для ICME [10]
  • идентификация HDF5 как подходящего стандарта файла связи для обмена информацией о микроструктуре в настройках ICME [11]
  • спецификация описания метаданных для микроструктур [12]
  • сеть заинтересованных сторон в области ICME

Большая часть мероприятий, начатых в рамках проекта ICMEg, продолжается Европейским советом по моделированию материалов и проектом MarketPlace.

Многомасштабное моделирование при обработке материалов [ править ]

Мультимасштабное моделирование направлено на оценку свойств или поведения материала на одном уровне с использованием информации или моделей с разных уровней и свойств элементарных процессов. Обычно распознаются следующие уровни, относящиеся к явлению в течение определенного периода времени и длины:

  • Структурный масштаб. Конечные элементы , конечный объем и дифференциальные уравнения в частных производных с конечными разностями - это решатели, используемые для моделирования структурных реакций, таких как механика твердого тела и явления переноса в больших (в метрах) масштабах.
    • моделирование процессов: экструзия, прокатка, формовка листов, штамповка, литье, сварка и т. д.
    • моделирование / симуляция продукта: производительность, удар, усталость, коррозия и т. д.
  • Макромасштаб: основные (реологические) уравнения используются на уровне континуума в механике твердого тела и явлениях переноса в миллиметровых масштабах.
  • Мезомасштаб: используются составы на уровне континуума с дискретными величинами в масштабе нескольких микрометров. «Мезо» - неоднозначный термин, означающий «промежуточный», поэтому он использовался для обозначения различных промежуточных масштабов. В этом контексте он может представлять моделирование из пластичности кристаллов для металлов, растворов Эшелби для любых материалов, методов гомогенизации и методов элементарной ячейки.
  • Микромасштаб: методы моделирования, которые представляют микрометровые масштабы, такие как коды динамики дислокаций для металлов и модели фазового поля для многофазных материалов. Фазовое поле модель из фазовых переходов и микроструктуры формирования и эволюции на нанометр до миллиметра масштабов.
  • Наноразмер: используются полуэмпирические атомистические методы, такие как потенциалы Леннарда-Джонса, Бреннера, потенциалы метода встроенного атома (EAM) и модифицированные потенциалы встроенного атома (MEAM) в молекулярной динамике (MD), молекулярной статике (MS), Монте-Карло ( MC) и кинетического Монте-Карло (KMC).
  • Электронная шкала: уравнения Шредингера используются в вычислительной структуре как модели теории функционала плотности (DFT) электронных орбиталей и связи на шкалах от ангстрема до нанометров.

Есть несколько программных кодов, которые работают с разными масштабами длины, например:

  • CALPHAD вычислительная термодинамика для предсказания равновесных фазовых диаграмм и даже неравновесных фаз.
  • Коды фазового поля для моделирования эволюции микроструктуры
  • Базы данных параметров обработки, особенностей микроструктуры и свойств, из которых можно проводить корреляции в различных масштабах длины
  • GeoDict - Лаборатория цифровых материалов от Math2Market
  • VPS-MICRO - это многомасштабное программное обеспечение для вероятностной механики разрушения.
  • SwiftComp - это многомасштабное программное обеспечение для конститутивного моделирования, основанное на механике структурного генома.
  • Digimat - многомасштабная платформа для моделирования материалов.

Исчерпывающий набор программных инструментов, имеющих отношение к ICME, задокументирован в Справочнике программных решений для ICME [10]

Примеры интеграции модели [ править ]

  • Мелкомасштабные модели рассчитывают свойства материала или отношения между свойствами и параметрами, например предел текучести в зависимости от температуры , для использования в моделях континуума.
  • Программа вычислительной термодинамики CALPHAD предсказывает свободную энергию как функцию от состава; затем модель фазового поля использует это для прогнозирования образования и развития структуры, которую затем можно сопоставить со свойствами.
  • Важный компонент для моделирования эволюции микроструктуры с помощью моделей фазового поля.и другие коды эволюции микроструктуры являются начальными и граничными условиями. Хотя граничные условия могут быть взяты, например, из моделирования фактического процесса, начальные условия (т.е. исходная микроструктура, входящая в фактическую стадию процесса) включают всю интегрированную историю процесса, начиная с однородного, изотропного и свободного от напряжений расплава. Таким образом - для успешного ICME - эффективный обмен информацией по всей цепочке процессов и по всем соответствующим масштабам длины является обязательным. Модели, которые должны быть объединены для этой цели, включают как академические, так и / или коммерческие инструменты моделирования и пакеты программного обеспечения для моделирования. Чтобы упростить информационный поток в рамках этого разнородного множества инструментов моделирования, недавно была предложена концепция модульной стандартизированной платформы моделирования.[5] Первой реализацией этой концепции является AixViPMaP® - виртуальная платформа для обработки материалов в Аахене.
  • Модели процессов рассчитывают пространственное распределение структурных элементов, например плотность и ориентацию волокон в композитном материале ; затем мелкомасштабные модели рассчитывают отношения между структурой и свойствами для использования в континуальных моделях поведения детали или системы в целом.
  • Крупномасштабные модели явно полностью связаны с мелкомасштабными моделями, например, моделирование разрушения может интегрировать сплошную модель макроскопической деформации твердого тела с FD-моделью атомных движений в вершине трещины.
  • Наборы моделей (крупномасштабные, мелкомасштабные, атомарные, структура процесса, свойства структуры и т. Д.) Могут быть иерархически интегрированы в структуру системного проектирования, чтобы обеспечить вычислительное проектирование совершенно новых материалов. Коммерческим лидером в использовании ICME в разработке вычислительных материалов является QuesTek Innovations LLC , малый бизнес в Эванстоне, штат Иллинойс, соучредителем которого является профессор Грег Олсон из Северо-Западного университета . Высокопроизводительные стали Ferrium® QuesTek были спроектированы и разработаны с использованием методологий ICME.
  • Штата Миссисипи университет Внутренний государственный Variable (ISV) Пластичность-модель повреждения (DMG) [13] разработан группой под руководством профессора Марка Ф. Horstemeyer (основатель Predictive Design Technologies ) была использована для оптимизации конструкции управления Cadillac рычаг, [14] люлька двигателя Corvette, [15] и крышка подшипника двигателя из порошковой стали. [16]
  • ESI Group через свои ProCast и SYSWeld - это коммерческие решения методом конечных элементов, используемые в производственных средах крупными производителями в аэрокосмической, автомобильной и правительственными организациями для моделирования локальных фазовых изменений материалов металлов перед их производством. PAMFORM используется для отслеживания изменений материала во время моделирования производства композитных материалов.

Образование [ править ]

Катсуйо Тортон объявил на заседании Технического комитета ICME 2010 MS&T, что NSF будет финансировать « Летнюю школу » по ICME в Мичиганском университете, начиная с 2011 года. Northwestern начал предлагать сертификат магистра наук в ICME осенью 2011 года. Курс интегрированной вычислительной инженерии материалов (ICME), основанный на Horstemeyer 2012 [17], был проведен в Государственном университете Миссисипи (MSU) в 2012 году в качестве аспирантского курса с участием студентов дистанционного обучения [см. Sukhija et al., 2013]. Позже он преподавался в 2013 и 2014 годах в МГУ также со студентами дистанционного обучения. В 2015 году курс ICMEпреподавали д-р Марк Хорстемейер (МГУ) и д-р Уильям (Билл) Шелтон (Университет штата Луизиана, ЛГУ) со студентами из каждого учебного заведения посредством дистанционного обучения. Цель методологии, включенной в этот курс, заключалась в том, чтобы предоставить студентам базовые навыки, чтобы воспользоваться вычислительными инструментами и экспериментальными данными, предоставленными EVOCD, при проведении моделирования и процедур наведения мостов для количественной оценки взаимосвязей между структурой и свойствами материалов в различных масштабах длины. После успешного завершения назначенных проектов студенты публиковали результаты своего обучения многомасштабному моделированию в ICME Wiki , что облегчало оценку достижений студентов и принятие качеств, установленных комиссией по технической аккредитации ABET.

См. Также [ править ]

  • Вычислительное материаловедение
  • Материалы информатики
  • Киберинфраструктура ICME
  • Киберинфраструктура

Ссылки [ править ]

[17]

  1. ↑ Олсон, Грегори Б. (май 2000 г.). «Создание нового материального мира» (PDF) . Наука . 288 (5468): 993–998. DOI : 10.1126 / science.288.5468.993 .
  2. ^ a b Комитет по интегрированной вычислительной инженерии материалов, Национальный консультативный совет по материалам, Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет (2008). Интегрированная вычислительная инженерия материалов: трансформационная дисциплина для повышения конкурентоспособности и национальной безопасности . Национальная академия прессы. п. 132. ISBN 9780309178211.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ MF Horstemeyer (2009). Я. Лещинский; М.К. Шукла (ред.). Практические аспекты вычислительной химии . Springer. ISBN 978-90-481-2686-6.
  4. ^ Panchal, Jitesh H .; Сурья Р. Калидинди; Дэвид Л. Макдауэлл (2013). «Ключевые вопросы вычислительного моделирования в комплексной инженерии вычислительных материалов». Компьютерный дизайн . 45 (1): 4–25. DOI : 10.1016 / j.cad.2012.06.006 .
  5. ^ a b Schmitz, GJ; Prahl, U., Eds. (2012). Интегративная вычислительная инженерия материалов - концепции и приложения модульной платформы моделирования . Weinheim: Wiley VCH Verlag. ISBN 978-3-527-33081-2.
  6. ^ Общество минералов, металлов и материалов (TMS) (2011). Труды 1-го Всемирного конгресса по интегрированной вычислительной инженерии материалов (ICME) . Джон Вили и сыновья. п. 275. ISBN 978-1118147740.
  7. ^ Шмитц, GJ; Прахл, У. (2009). «К виртуальной платформе для обработки материалов». JOM . 61 (5): 19–23. Bibcode : 2009JOM .... 61e..19S . DOI : 10.1007 / s11837-009-0064-0 .
  8. ^ a b c "Проект ICMEg" .
  9. ^ a b "Мастерские ICMEg" .
  10. ^ a b Шмитц, Георг Дж .; Прахл, Ульрих (2016-09-23), «Введение», Справочник по программным решениям для ICME , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, стр. 1–17, doi : 10.1002 / 9783527693566.ch1 , ISBN 9783527693566
  11. ^ Шмитц, Георг Дж. (2016). «Моделирование микроструктуры в настройках интегрированной вычислительной инженерии материалов (ICME): может ли HDF5 стать основой для нового стандарта для описания микроструктур?». JOM . 68 1 : 77–83. DOI : 10.1007 / s11837-015-1748-2 .
  12. ^ Шмитц, Георг J .; Бёттгер, Бернд; Апель, Маркус; Эйкен, Джанин; Лашет, Готфрид; Альтенфельд, Ральф; Бергер, Ральф; Буссино, Гийом; Виарден, Александр (2016). «К схеме метаданных для описания материалов - описания микроструктур» . Наука и технология перспективных материалов . 17 (1): 410–430. Bibcode : 2016STAdM..17..410S . DOI : 10.1080 / 14686996.2016.1194166 . ISSN 1468-6996 . PMC 5111567 . PMID 27877892 .   
  13. ^ «Материальные модели» .
  14. ^ Horstemeyer, MF; Ван, П. (2003). «Проектирование на основе моделирования от колыбели до могилы, включающее многомасштабное моделирование микроструктуры и свойств: новое вдохновение в дизайне с помощью науки». J. Компьютерный дизайн материалов . 10 : 13–34. DOI : 10.1023 / B: jcad.0000024171.13480.24 .
  15. ^ Horstemeyer, MF; Д. Оглсби; J. Fan; PM Gullett; Х. Эль-Кадири; Ю. Сюэ; К. Бертон; К. Галл; Б. Елинек; М.К. Джонс; С.Г. Ким; Е.Б. Марин; Д.Л. Макдауэлл; А. Оппедал; Н. Ян (2007). «От атомов к автомобилям: проектирование каркаса корвета из магниевого сплава с использованием иерархических многомасштабных моделей микроструктуры и свойств для монотонных и циклических нагрузок». Msu.cavs.CMD.2007-R0001 .
  16. ^ Wakade, Шекхар. "Моделирование характеристик металлических порошковых компонентов автомобильных компонентов (AMD410)" . Составление итогового отчета . Партнерство США по автомобильным материалам, Министерство энергетики. п. В-75. ОТЧЕТ USAMP № DOE / OR22910.
  17. ^ a b Horstemeyer, MF (2012). Интегрированная вычислительная инженерия материалов (ICME) для металлов . ISBN 978-1-118-02252-8.
  • Выпуск JOM за ноябрь 2006 г. был посвящен ICME.
  • Комитет по интегрированной вычислительной инженерии материалов, Национальный исследовательский совет, Интегрированная вычислительная инженерия материалов: трансформационная дисциплина для повышения конкурентоспособности и национальной безопасности, National Academies Press, 2008. ISBN 0-309-11999-5 , NAP Link 
  • Г. Олсон, Создание нового материального слова, Наука, Vol. 288, 12 мая 2000 г.
  • Horstemeyer 2009: Horstemeyer MF, «Многомасштабное моделирование: обзор», « Практические аспекты вычислительной химии» , изд. Я. Лещинский и М.К. Шукла, Springer Science + Business Media, стр. 87-135, 2009 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • МСМОС раздел о технологии материалов @ TMS
  • [Достижения в реализации ICME: концепции и практики »в выпуске журнала JOM за май 2017 г. (том 69, № 5) https://link.springer.com/journal/11837/69/5 ]
  • Киберинфраструктура для ICME в Государственном университете Миссисипи
  • GeoDict Лаборатория цифровых материалов