Уявіть собі, що ви покращуєте конструкцію вентилятора та збільшуєте його довговічність за рахунок керування механічними властивостями матеріалу на різних ділянках лопатки! Або уявіть собі, що для визначення працездатності ви тестуєте віртуальні прототипи матеріалів замість реальних зразків, економлячи час і ресурси!

Ідея інтеграції розрахункових моделей та експериментів для проектування та оптимізації матеріалів не нова, але була обмежена ступенем розвитку технологій у галузі управління даними, взаємодії програмного забезпечення та автоматизації робочих процесів [NASA Vision 2040: A Roadmap for Integrated Modeling of Materials and Systems]. Такий підхід отримав назву інтегрований цифровий Інжинірінг матеріалів (integrated computational materials engineering – ICME). Він поєднує методики з матеріалознавства, хімії, фізики, інженерії та програмного забезпечення для створення інтегрованих робочих процесів моделювання матеріалів з метою розуміння їх поведінки у різних просторових та часових масштабах.

Цифровий Інжинірінг матеріалів у Ansys

Як лідер у сфері інженерного моделювання, Ansys відіграє ключову роль у розробці програмних засобів для підтримки ICME. Ansys надає інженерам можливість моделювати структуру матеріалів для прогнозування властивостей, наприклад, термомеханічних властивостей за різних умов експлуатації, що дуже важливо для точного моделювання поведінки таких матеріалів, як сплави або композити.

Ось кілька прикладів такого функціоналу в Ansys:

• проектування матеріалів зі складними особливостями мікроструктури, композитів, метаматеріалів та інше;
• автоматизація та керування масштабних робочих процесів;
• управління інформацією про матеріали та процеси;
• автоматизована оптимізація, аналіз чутливості та надійності.

Інструменти Ansys, пов'язані з ICME, виходять за межі наведених вище прикладів. Поєднання з міждисциплінарними вирішувачами Ansys, які описують мікро- та макрофізичні явища, а також з моделями сторонніх розробників, значно розширює межі застосування фреймворку.

Використання deep learning для підвищення якості прогнозування властивостей матеріалів

Програмне поєднання міждисциплінарних досліджень

ICME, за своєю суттю, є широким і багатодисциплінарним напрямом, в центрі якого знаходиться матеріалознавець. Однак, звичайний дослідник або інженер з розрахунків може і не бути експертом з ICME. Тому найбільшим викликом на шляху впровадження ICME в інжиніринговій компанії є побудова програмного «мосту», який дозволив би саме експертам:

• створювати власні робочі процеси з прогнозованим ступенем невизначеності;
• впроваджувати розроблені процеси для використання менш кваліфікованими користувачами.

Ansys активно шукає існуючі та розробляє нові ефективні способи вирішення цієї задачі. На сьогодні компанія Ansys розробила прототип програмного фреймворку для забезпечення необхідного для ефективного ІСМЕ міждисциплінарного співробітництва. Поточна конфігурація програмного забезпечення використовується для перевірки та тестування розробок на реальних даних на ранніх стадіях дослідницьких проектів, а також для подальшого уточнення.

Прототип програмного фреймворку Ansys ICME

Фреймворк майбутнього

Що фреймворк може дати нам у майбутньому? Прототип програмного забезпечення вже був застосований для вивчення впливу фреймворку ICME на успішність розробки та виробництва матеріалів. На цей час часу було реалізовано різноманітні робочі процеси, серед яких:

• проектування та оптимізація гібридних та композитних матеріалів з використанням інструменту Ansys Material Designer у програмі Ansys Mechanical;
• прогнозування властивостей матеріалу на основі репрезентативних елементів об'єму (representative volume elements – RVE) та властивостей зерен методом кристалічної пластичності у Ansys Mechanical;
• прогнозування та калібрування показників міцності піноматеріалів у Ansys LS-DYNA;
• прогнозування та калібрування кінетичних параметрів процесу у моделі каталітичного реактора з використанням Ansys Fluent;
• прогнозування молекулярної структури органічних електронних пристроїв шляхом моделювання молекулярної динаміки з використанням вирішувачів сторонніх розробників.
• оцінка властивостей ламінату, залишкових напружень та деформацій інструментами загальної теорії ламінатів на публічній платформі nanoHUB.

І це лише кілька прикладів робочих процесів, реалізованих для перевірки та тестування розробок на реальних даних.

Шаблони моделювання, доступні у Ansys Granta MI

Ansys і далі продовжуватиме вдосконалення інструментів програмного фреймворку ICME з баченням, що цей підхід допоможе в значній мірі знизити кількість експериментів методом проб та помилок при розробці матеріалів. Ansys активно займається пошуком та розробкою ефективних способів вирішення цієї задачі. Вже розроблено прототип програмного фреймворку для забезпечення міждисциплінарного співробітництва у ICME. Поточна конфігурація програмного забезпечення використовується для перевірки та тестування розробок на реальних даних на ранніх стадіях дослідницьких проектів, а також для подальшого уточнення. Результати досліджень будуть представлені на Всесвітньому конгресі NAFEMS 2023 наприкінці травня.

За отриманням компонентів програмного фреймворку, методичної та технічної підтримки звертайтесь до фахівців компанії Софт Інжинірінг Груп.