En ny måde at se stress på - ved hjælp af supercomputere

Det er let at tage meget for givet. Forskere gør dette, når de studerer stress, kraften pr. arealenhed på et objekt. Forskere håndterer stress matematisk ved at antage, at det har symmetri. Det betyder, at komponenterne i stress er identiske, hvis du transformerer det stressede objekt med noget som en drejning eller en vending. Supercomputersimuleringer viser, at på atomniveau, materiel stress opfører sig ikke symmetrisk. Resultaterne kan hjælpe forskere med at designe nye materialer som glas eller metal, der ikke iser op.

Det viser en undersøgelse, der blev offentliggjort september 2018 i Proceedings of the Royal Society A . Undersøgelsesforfatter Liming Xiong opsummerede de to hovedresultater. "Den almindeligt accepterede symmetriske egenskab af en stress -tensor i klassisk kontinuummekanik er baseret på visse antagelser, og de vil ikke være gyldige, når et materiale er løst ved en atomistisk opløsning. "Xiong fortsatte, at" den meget udbredte atomvirusspænding eller Hardy -stressformler undervurderer stressen betydeligt nær en stresskoncentrator, såsom en dislokationskerne, et revnet tip, eller en grænseflade, i et materiale under deformation. "Liming Xiong er adjunkt i Institut for Aerospace Engineering ved Iowa State University.

Xiong og kolleger behandlede stress på en anden måde end klassisk kontinuummekanik, som antager, at et materiale er uendeligt deleligt, så momentumets momentum forsvinder for det materielle punkt, når dets volumen nærmer sig nul. I stedet, de brugte definitionen af ​​matematiker AL Cauchy af stress som kraften pr. arealenhed, der virker på tre rektangulære planer. Med det, de udførte molekylære dynamiksimuleringer for at måle atomstensstensoren for materialer med inhomogeniteter forårsaget af dislokationer, fasegrænser og huller.

De beregningsmæssige udfordringer, sagde Xiong, svulme op til grænserne for, hvad der i øjeblikket kan beregnes, når man beskæftiger sig med atomkræfter, der interagerer inde i en lille brøkdel af et regndråbes rum. "Frihedsgraden, der skal beregnes, vil være enorm, fordi selv en mikronstørrelse vil indeholde milliarder af atomer. Milliarder atompar vil kræve en enorm mængde beregningsressourcer, "sagde Xiong.

Hvad mere er, tilføjet Xiong, er manglen på en veletableret computerkode, der kan bruges til den lokale spændingsberegning i atomskalaen. Hans team brugte open source LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, inkorporering af Lennard-Jones interatomiske potentiale og modificeret gennem de parametre, de udarbejdede i avisen. "I bund og grund, vi forsøger at imødekomme to udfordringer, "Sagde Xiong." Den ene er at omdefinere stress på atomniveau. Den anden er, hvis vi har en veldefineret stressmængde, kan vi bruge supercomputerressourcer til at beregne det? "

Xiong blev tildelt supercomputertildelinger på XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation. Det gav Xiong adgang til Comet -systemet i San Diego Supercomputer Center; og Jetstream, et sky -miljø understøttet af Indiana University, University of Arizona, og Texas Advanced Computing Center.

"Jetstream er en meget velegnet platform til at udvikle en computerkode, debug det, og test det, "Xiong sagde." Jetstream er designet til små beregninger, ikke for store. Når koden var udviklet og benchmarket, vi overførte det til petascale Comet-systemet for at udføre store simuleringer ved hjælp af hundredvis til tusinder af processorer. Sådan brugte vi XSEDE -ressourcer til at udføre denne forskning, "Forklarede Xiong.

Jetstream-systemet er en konfigurerbar computerressource i stor skala, der udnytter både on-demand og vedvarende virtuel maskinteknologi til at understøtte en meget bredere vifte af softwaremiljøer og -tjenester, end de nuværende NSF-ressourcer kan rumme.

"Debugging af denne kode havde brug for cloud-overvågning og on-demand intelligensressourceallokering, "Xiong huskede." Vi skulle teste det først, fordi den kode ikke var tilgængelig. Jetstream har en unik egenskab ved cloudovervågning og on-demand intelligensressourceallokering. Dette er de vigtigste funktioner for os til at vælge Jetstream til at udvikle koden. "

"Hvad imponerede vores forskningsgruppe mest om Jetstream, "Xiong fortsatte, "var skyovervågningen. Under fejlfindingstrinnet i koden, vi er virkelig nødt til at overvåge, hvordan koden fungerer under beregningen. Hvis koden ikke er fuldt udviklet, hvis det ikke er benchmarket endnu, vi ved ikke, hvilken del der har et problem. Skyovervågningen kan fortælle os, hvordan koden fungerer, mens den kører. Dette er meget unikt, "sagde Xiong.

Simuleringsarbejdet, sagde Xiong, hjælper forskere med at bygge bro mellem forskellene mellem mikro og makro i virkeligheden, i en metode kaldet multiscale modellering. "Multiscale forsøger at bygge bro mellem det atomistiske kontinuum. For at udvikle en metode til multiscale modellering, we need to have consistent definitions for each quantity at each level... This is very important for the establishment of a self-consistent concurrent atomistic-continuum computational tool. With that tool, we can predict the material performance, the qualities and the behaviors from the bottom up. By just considering the material as a collection of atoms, we can predict its behaviors. Stress is just a stepping stone. Med det, we have the quantities to bridge the continuum, " Xiong said.

Xiong and his research group are working on several projects to apply their understanding of stress to design new materials with novel properties. "One of them is de-icing from the surfaces of materials, " Xiong explained. "A common phenomenon you can observe is ice that forms on a car window in cold weather. If you want to remove it, you need to apply a force on the ice. The force and energy required to remove that ice is related to the stress tensor definition and the interfaces between ice and the car window. I bund og grund, the stress definition, if it's clear at a local scale, it will provide the main guidance to use in our daily life."

Xiong sees great value in the computational side of science. "Supercomputing is a really powerful way to compute. Nowadays, people want to speed up the development of new materials. We want to fabricate and understand the material behavior before putting it into mass production. That will require a predictive simulation tool. That predictive simulation tool really considers materials as a collection of atoms. The degree of freedom associated with atoms will be huge. Even a micron-sized sample will contain billions of atoms. Only a supercomputer can help. This is very unique for supercomputing, " said Xiong.