Spaghetti, vindueskarm, og LEGO:On-the-fly kompositmodellering

Jo da, de er blandede metaforer - men ligesom modellering er et tæt skøn over processer i den virkelige verden, det samme er verbale forklaringer af en sådan nuanceret aritmetik. Trisha Sain, adjunkt i maskinteknik, udforsker multiskala fysik ved at tænke på LEGO klodserne i hendes stue, vinduerne i skyskrabere og lave et festmåltid.

Før vi dræner vores nudler, lad os lægge et grundlag for studiet af kompositmaterialer. Kompositmaterialer er lavet af flere materialer, der kombinerer forskellige mekaniske og kemiske egenskaber, og ideelt set er sådanne mikrostrukturkombinationer en win-win for at maksimere ønskede egenskaber. Men kombinationer skaber mere kompleksitet, især når de udsættes for ekstreme miljøer.

For eksempel, Sains forskning ser på fiberforstærkede polymerkompositter til det amerikanske luftvåben. Materialerne skal tåle vådt, varme, koldt og måske et par stød. "Disse materialer kan klare sådanne ekstremer, " sagde hun. "Problemet er, at som alle materialer, de ældes. Vi studerer den nedbrydning."

Hvilket bringer os tilbage til spaghetti. Sain sagde, at forstå opførselen af ​​kompositter, og hvordan de reagerer på vind, regn, kulde og andre miljøfaktorer er som at udrede en skål spaghetti nudler. Polymerer, som er lange kulstofkæder, vikl og drej rundt ligesom kogt pasta. Mens den specifikke kemi og mekaniske egenskaber af kompositter er velkendte, Sain vil vide, hvad der sker, når nudlerne møder sauce:hvordan polymererne interagerer med miljøfaktorer såsom luft eller varme eller deres fravær.

Og, ligesom vi ikke bestiller en ret med "nudler-tomater-basilikum-og-oregano" på en restaurant, kompositter i den virkelige verden bliver ikke brugt eller vurderet af deres mikrostrukturelle ingredienser. For at forstå sammensatte spaghetti, Sain studerer retten som en helhed - tester hvert materiale på flere skalaer og prototyper af hele udstyrsstykker. For at modellere, hvordan disse materialer nedbrydes over tid, hun skal sammensætte en hel fest af beregninger - fra nudlerne af en polymers kæder, til pladen af ​​et panel, til buffeten af ​​en hel maskine.

"Så, vores mål er at fange den rigtige fysik på hver skala og overføre informationen fra en længdeskala til en anden på en konsekvent måde, " sagde Sain. At gøre det kræver en slags matematisk homogenisering kaldet "on-the-fly" beregninger, forklarede hun. "Kan vi fange disse karakteristika med en modelleringsramme, der bevæger sig jævnt over en skala til en anden? For det er ikke bare en anden længdeskala, det er forskellig fysik, og hver af disse fysiske processer kan forekomme på en anden tidsskala."

En anden måde Sain forklarer, hvordan hendes modeller spænder over flere skalaer, er at tænke på LEGO klodser. Blokkene passer sammen på bestemte måder, og nogle passer bedre sammen end andre afhængigt af designet.

"Men hvis du prøver at lave en hel campusbygning af LEGO'er, du får problemer, " sagde Sain. I større skalaer, fysikken og den materielle adfærd ændrer sig. Med hensyn til modelarkitektur, On-the-fly-homogenisering gør det muligt for modellens beregninger at skifte fra overordnede vindueskarme, at se vinduet, for derefter at tage højde for hele væggen med alle dens vinduer. Til sammenligning, enklere diskrete modeller skal bruge hårde grænser mellem karm/vindue/vægberegninger.

"I bund og grund, vores mål var ikke hurtigt at skære vægten af ​​og i stedet for løbende at krydse dem, " sagde Sain. "Vi laver en statistisk mekanisk systemtilgang inden for polymerlængdeskalaen - vindueslængdeskalaen - men prøver stadig at huske på, at de statistiske og mekaniske beskrivelser af, hvad vi end beregner, skal være anvendelige på de større længder - vægvægten."

Sådanne yndefulde glider mellem vægte, uanset om materialet er nudelagtigt, plast, glasrude eller fiberforstærket, sætte Sain i stand til at forudsige og vurdere sammensat nedbrydning med mere lethed og færre penge end traditionelle eksperimenter.