Ny computermodelleringstilgang kan forbedre materialedesign på tværs af flyskrog

Hvordan udvikler jumbojetdesignere elastiske materialer til moderne flyskrog, mens de stadig bringer deres projekter ind til tiden og inden for budgettet? Før de prototyper et nyt materiale, de er stærkt afhængige af computersimuleringer for at indikere, hvordan det vil fungere - og forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) gør disse simuleringer mere effektive.

Et hold, der inkluderer NIST-forskere, har fundet en måde at forbedre processen med at simulere begyndelsen af ​​fejl i de materialer, der bruges til at bygge flyvinger. At forstå dette indledningspunkt er afgørende for at forudsige, hvornår og hvordan vinger svigter. Deres metode viser designere, hvordan man sætter en bestemt prøve gennem en række stressscenarier for effektivt at bestemme mængden af ​​strækning, der vil få den til at bryde.

Tilgangen, ifølge NIST-fysiker Paul Patrone, kunne hjælpe med at løse en af ​​de nøglefaktorer, der reducerer effektiviteten af ​​simuleringer – usikkerhed i deres forudsigelse af vingens styrke.

"Sandsynligvis den mest dramatiske materielle egenskab, som rumfartsingeniører og offentligheden bekymrer sig om, er, hvor langt en vinge kan bøje, før den knækker, sagde Patrone. Historisk set, simuleringer har gjort et dårligt stykke arbejde med at forudsige dette, fordi du har brug for detaljerede oplysninger om materialets atomare struktur over store afstande. Computere er simpelthen ikke kraftfulde nok til at simulere sådanne systemer, så vi håber, at denne nye tilgang vil give en løsning."

At udvikle en ny højtydende komposit er en besværlig proces. Luftfartsvirksomheder drømmer om et stort antal kandidatingredienser, indsnævre listen til et par lovende, og bland så dem sammen i kombinationer, der måske giver det stærkeste materiale. Men en R&D-afdeling kan ikke blande dem alle sammen eller køre stresstest på ret mange. Så de henvender sig nogle gange til NIST for at finde måder, hvorpå de hurtigt kan få effektive resultater.

En tilgang har været direkte at simulere den kraft, der kræves for at bøje en prøve, men ikke af en hel vinge lavet af det - kun af et par tusinde atomer. "Det er muligt at køre 50 af disse simuleringer om ugen på en supercomputer, " Patrone sagde, "og i princippet som hjælper ingeniører med at finde de kombinationer, der er værd at teste i laboratoriet. Problemet er, at vi skal udlede skadeinitieringen indirekte fra de simulerede kræfter, som simpelthen ikke fungerer godt til så små systemer."

Holdets papir viser virksomheder en bedre måde at designe disse simuleringer på. De fik en simpel, men effektiv idé:Simuler deformering af denne lille smule materiale ved at øge mængden og gør det muligt at gemme simuleringens tilstand på ethvert givet tidspunkt. Fordelen ved statsbesparelse, Patron sagde, er, at man kan se, hvad der sker, hvis materialet får lov til at slappe af.

"Det er lidt som at tage materialet ned ad en vej med forskellige gafler og se på, hvad der sker nede hver af dem, " sagde han. "Vi pauser simuleringen på forskellige punkter undervejs og spørger, 'Hvis jeg holdt op med at prøve at bøje det her, hvad ville der ske? Ville den blive bøjet, eller hoppe tilbage til sin oprindelige form?' Vi har evnen til at udforske alle disse gafler, hvilket giver os mulighed for mere præcist at angive, hvornår materialet først blev beskadiget."

Fordi en ny jumbojet kan løbe op i flere milliarder dollars i udviklingsomkostninger, Patron sagde, forbedringer som denne kan hjælpe virksomheder med at stole på pålideligheden af ​​deres modelleringsmetoder, før de forpligter sig til dyrere trin, der involverer materialer fra den virkelige verden.

"Vores tilgang giver et nyt 'signal' for et materiales bristepunkt, som forhåbentlig vil forbedre pålideligheden af ​​simuleringerne, " sagde han. "Det gav os også mulighed for statistisk at kvantificere vores tillid til deres forudsigelser. Det har vi brug for, hvis simuleringer skal bruges som en proxy for eksperimenter."