Engenharia de materiais computacional integrada - Integrated computational materials engineering

A Engenharia de Materiais Computacional Integrada (ICME) é uma abordagem para projetar produtos, os materiais que os compõem e seus métodos de processamento de materiais associados, vinculando modelos de materiais em várias escalas de comprimento. As palavras-chave são "Integrado", que envolve a integração de modelos em múltiplas escalas de comprimento, e " Engenharia ", que significa utilidade industrial. O foco está nos materiais, ou seja, entender como os processos produzem estruturas materiais , como essas estruturas dão origem às propriedades dos materiais e como selecionar materiais para uma determinada aplicação. Os links principais são processos-estruturas-propriedades-desempenho. O relatório da National Academies descreve a necessidade de usar a modelagem de materiais multiescala para capturar o desempenho de propriedades de propriedades de processos de um material.

Padronização em ICME

Um requisito fundamental para cumprir o ambicioso objetivo do ICME de projetar materiais para produtos específicos resp. componentes é uma descrição computacional integrativa e interdisciplinar da história do componente a partir da boa condição inicial de um resp de fusão homogêneo, isotrópico e livre de tensão. fase de gás e continuando por meio de etapas de processamento subsequentes e, eventualmente, terminando na descrição do início da falha sob carga operacional.

A Engenharia de Materiais Computacional Integrada é uma abordagem para projetar produtos, os materiais que os compõem e seus métodos de processamento de materiais associados, vinculando modelos de materiais em várias escalas de comprimento. ICME, portanto, requer naturalmente a combinação de uma variedade de modelos e ferramentas de software. É, portanto, um objetivo comum construir uma rede científica de partes interessadas concentrando-se em impulsionar o ICME para a aplicação industrial, definindo um padrão de comunicação comum para as ferramentas relevantes do ICME.

Padronização da troca de informações

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Esforços para gerar uma linguagem comum padronizando e generalizando formatos de dados para a troca de resultados de simulação representam um passo importante e obrigatório para aplicações futuras de sucesso do ICME. Uma futura estrutura estrutural para ICME compreendendo uma variedade de ferramentas de simulação acadêmica e / ou comercial operando em diferentes escalas e sendo modular interconectada por uma linguagem comum na forma de troca de dados padronizada permitirá a integração de diferentes disciplinas ao longo da cadeia de produção, que agora têm apenas interagiu mal. Isso melhorará substancialmente a compreensão dos processos individuais, integrando o histórico do componente originado das etapas anteriores como a condição inicial para o processo real. Eventualmente, isso levará a cenários de processo e produção otimizados e permitirá uma adaptação eficaz de materiais específicos e propriedades de componentes.

O projeto ICMEg e sua missão

O projeto ICMEg visa construir uma rede científica de partes interessadas concentrando-se em impulsionar o ICME para a aplicação industrial, definindo um padrão de comunicação comum para as ferramentas relevantes do ICME. Eventualmente, isso permitirá que as partes interessadas de comunidades eletrônicas, atomísticas, mesoscópicas e contínuas se beneficiem do compartilhamento de conhecimento e melhores práticas e, assim, promovam um entendimento mais profundo entre as diferentes comunidades de cientistas de materiais, engenheiros de TI e usuários industriais.

O ICMEg criará uma rede internacional de provedores e usuários de simulação. Irá promover um entendimento mais profundo entre as diferentes comunidades (academia e indústria), cada uma delas usando ferramentas / métodos e formatos de dados muito diferentes. A harmonização e padronização da troca de informações ao longo do ciclo de vida de um componente e em diferentes escalas (eletrônica, atomística, mesoscópica, contínua) são a atividade chave do ICMEg.

A missão do ICMEg é

  • estabelecer e manter uma rede de contatos com fornecedores de software de simulação, autoridades governamentais e internacionais de padronização, usuários ICME, associações na área de materiais e processamento e academia
  • definir e comunicar uma linguagem ICME na forma de um protocolo de comunicação aberto e padronizado
  • para estimular o compartilhamento de conhecimento no campo do design de materiais multiescala
  • identificar ferramentas, modelos e funcionalidades que faltam e propor um roteiro para o seu desenvolvimento
  • para discutir e decidir sobre futuras alterações à norma inicial

As atividades do ICMEg incluem

  • Organização de Workshops Internacionais de Soluções de Software para Engenharia Integrada de Materiais Computacionais
  • Realização de estudo de mercado e pesquisa sobre software de simulação disponível para ICME
  • Criar e manter fórum para compartilhamento de conhecimento no ICME

O projeto ICMEg terminou em outubro de 2016. Seus principais resultados são

  • um manual de soluções de software para ICME
  • a identificação de HDF5 como um padrão de arquivo de comunicação adequado para troca de informações de microestrutura nas configurações do ICME
  • a especificação de uma descrição de metadados para microestruturas
  • uma rede de partes interessadas na área do ICME

A maioria das atividades sendo lançadas no projeto ICMEg são continuadas pelo European Materials Modeling Council e no projeto MarketPlace

Modelagem multiescala no processamento de materiais

A modelagem multiescala visa avaliar as propriedades ou o comportamento do material em um nível, usando informações ou modelos de diferentes níveis e propriedades de processos elementares. Normalmente, os seguintes níveis, tratando de um fenômeno ao longo de uma janela específica de duração e tempo, são reconhecidos:

  • Escala estrutural: elemento finito , volume finito e equação diferencial parcial de diferença finita são solucionadores usados ​​para simular respostas estruturais como mecânica de sólidos e fenômenos de transporte em escalas grandes (metros).
    • modelagem / simulações de processos: extrusão, laminação, formação de folha, estampagem, fundição, soldagem, etc.
    • modelagem / simulações de produto: desempenho, impacto, fadiga, corrosão, etc.
  • Macroescala: equações constitutivas (reologia) são usadas no nível contínuo em mecânica de sólidos e fenômenos de transporte em escalas milimétricas.
  • Mesoescala: formulações de nível contínuo são usadas com quantidades discretas em múltiplas escalas de micrômetro. "Meso" é um termo ambíguo que significa "intermediário", por isso tem sido usado para representar diferentes escalas intermediárias. Nesse contexto, pode representar modelagem a partir da plasticidade do cristal para metais, soluções de Eshelby para quaisquer materiais, métodos de homogeneização e métodos de células unitárias.
  • Microescala: técnicas de modelagem que representam a escala micrométrica, como códigos de dinâmica de deslocamento para metais e modelos de campo de fase para materiais multifásicos. Modelos de campo de fase de transições de fase e formação e evolução de microestrutura em escalas de nanômetro a milímetro.
  • Nanoescala: métodos atomísticos semi-empíricos são usados, como Lennard-Jones, potenciais de Brenner, potenciais do método do átomo incorporado (EAM) e potenciais do átomo incorporado modificado (MEAM) em dinâmica molecular (MD), estática molecular (MS), Monte Carlo ( MC) e formulações cinéticas de Monte Carlo (KMC).
  • Escala eletrônica: as equações de Schroedinger são usadas em uma estrutura computacional como modelos de teoria funcional de densidade (DFT) de orbitais de elétrons e ligações em escalas de angstrom a nanômetros.

Existem alguns códigos de software que operam em diferentes escalas de comprimento, como:

Uma compilação abrangente de ferramentas de software relevantes para ICME está documentada no Handbook of Software Solutions for ICME

Exemplos de integração de modelo

  • Modelos em pequena escala calculam propriedades de materiais ou relações entre propriedades e parâmetros, por exemplo , resistência ao escoamento vs. temperatura , para uso em modelos contínuos
  • O software de termodinâmica computacional CALPHAD prevê a energia livre em função da composição; um modelo de campo de fase usa isso para prever a formação e o desenvolvimento da estrutura, que pode então correlacionar com as propriedades.
  • Um ingrediente essencial para modelar a evolução da microestrutura por modelos de campo de fase e outros códigos de evolução da microestrutura são as condições iniciais e de contorno. Embora as condições de contorno possam ser obtidas, por exemplo, da simulação do processo real, as condições iniciais (ou seja, a microestrutura inicial entrando na etapa real do processo) envolvem todo o histórico do processo integrado começando do fundido homogêneo, isotrópico e livre de tensão. Portanto - para um ICME de sucesso - uma troca eficiente de informações ao longo de toda a cadeia de processo e em todas as escalas de comprimento relevantes é obrigatória. Os modelos a serem combinados para este fim compreendem ferramentas de modelagem acadêmica e / ou comercial e pacotes de software de simulação. Para agilizar o fluxo de informações dentro dessa variedade heterogênea de ferramentas de modelagem, o conceito de uma plataforma de simulação modular padronizada foi recentemente proposto. Uma primeira realização deste conceito é o AixViPMaP® - a Plataforma Virtual Aachen para Processamento de Materiais.
  • Os modelos de processo calculam a distribuição espacial das características da estrutura, por exemplo, densidade e orientação da fibra em um material composto ; os modelos em pequena escala calculam as relações entre a estrutura e as propriedades, para uso em modelos contínuos da parte geral ou do comportamento do sistema
  • Modelos em grande escala acoplam-se explicitamente a modelos em pequena escala, por exemplo, uma simulação de fratura pode integrar um modelo contínuo de mecânica sólida de deformação macroscópica com um modelo FD de movimentos atômicos na ponta da trinca
  • Conjuntos de modelos (grande escala, pequena escala, escala atômica, estrutura de processo, propriedades de estrutura, etc.) podem ser integrados hierarquicamente em uma estrutura de design de sistemas para permitir o design computacional de materiais inteiramente novos. Um líder comercial no uso de ICME em design de materiais computacionais é a QuesTek Innovations LLC , uma pequena empresa em Evanston, IL, co-fundada pelo Prof. Greg Olson da Northwestern University . Os aços Ferrium® de alto desempenho da QuesTek foram projetados e desenvolvidos usando metodologias ICME.
  • O modelo de plasticidade-dano (DMG) da variável de estado interno da Universidade do Estado do Mississippi (ISV) desenvolvido por uma equipe liderada pelo Prof. Mark F. Horstemeyer (fundador da Predictive Design Technologies ) foi usado para otimizar o projeto de um braço de controle Cadillac, o Berço do motor Corvette e uma tampa do rolamento do motor em aço de metal em pó.
  • O ESI Group, por meio de seu ProCast e SYSWeld, são soluções comerciais de elemento finito usadas em ambientes de produção pelos principais fabricantes em organizações aeroespaciais, automotivas e governamentais para simular mudanças de fase de materiais locais de metais antes da fabricação. O PAMFORM é utilizado para rastrear alterações de material durante a simulação de fabricação de conformação composta.

Educação

Katsuyo Thorton anunciou na reunião do Comitê Técnico de MS&T ICME de 2010 que a NSF financiaria uma " Escola de Verão " na ICME na Universidade de Michigan a partir de 2011. A Northwestern começou a oferecer um Certificado de Mestrado em Ciências em ICME no outono de 2011. O primeiro O curso Integrated Computational Materials Engineering (ICME) baseado no Horstemeyer 2012 foi ministrado na Mississippi State University (MSU) em 2012 como um curso de pós-graduação com alunos de ensino à distância incluídos [cf, Sukhija et al., 2013]. Posteriormente, foi ministrado em 2013 e 2014 na MSU também com alunos de EAD. Em 2015, o Curso ICME foi ministrado pelo Dr. Mark Horstemeyer (MSU) e Dr. William (Bill) Shelton (Louisiana State University, LSU) com alunos de cada instituição via ensino à distância. O objetivo da metodologia abraçada neste curso era fornecer aos alunos as habilidades básicas para tirar proveito das ferramentas computacionais e dados experimentais fornecidos pelo EVOCD na realização de simulações e procedimentos de ligação para quantificar as relações estrutura-propriedade de materiais em múltiplas escalas de comprimento. Na conclusão bem-sucedida dos projetos atribuídos, os alunos publicaram seus resultados de aprendizagem de modelagem multiescala no Wiki do ICME , facilitando a avaliação das realizações dos alunos e abraçando as qualidades definidas pelo conselho de acreditação de engenharia da ABET.

Veja também

Referências

links externos