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美国桑迪亚国家实验室利用复杂模型对脆性材料失效问题进行预测研究

2017-02-14 334浏览 标签: 美国脆性材料


2017年213日,美国桑迪亚国家实验室(Sandia)官网公布消息称,研发人员利用复杂模型对脆性材料的失效问题进行了预测研究。Sandia国家实验室的脆性材料保证预测计划(BritMAPP)开始于两年前,预计于2020年结束。该项目主要从三个方面对脆性材料进行了研究:应力和负载、从断裂力学研究裂纹的开始和扩展、研究材料性能与结构之间的关系。

          图 脆性材料失效

 

脆性材料,如玻璃,会突然或灾难性地失效。金属材料则不同,金属掉落后,只会发生凹陷或弯曲。研发人员非常关注突然失效对组件和系统的性能、可靠性以及安全性造成的影响。其中,断裂(如医疗设备或卫星)会产生严重后果。BritMAPP项目的研发人员正在研发力学模型,从而揭示基本属性与材料之间的关系。研发人员可实现从定性的工程判断转化为对脆性材料失效及可靠性的定量预测。定性工程判断的依据是实验,只可以给出对比结果“AB好”。而定量预测是在材料物理性能的基础上,给出准确的结果。BritMAPP项目的科研人员Jamison说:“我们希望从对比结果(AB好,但不知道A到底有多好)向精确地定量预测转变(AB好,因为A的使用寿命比B10年)。能够精确地定量分析出差异是关键。”

研发人员利用模型预测部件的使用寿命:

由于不可能对每一种情况都进行测试,研发人员通过利用实验的方法测量材料属性,为计算模型收集数据。研发人员Jamison说:“建模最有价值的地方是我们可以准确预测无法获取的数据。它可以帮助我们了解为什么失效,而不是仅知道失效,却不知道失效原因。建模分析与实验测试不同,在实验中不能将所有东西都分割成微小的部分,并且在你真正理解之前也不清楚你需要测试多少样品”。由于很难测量应力,所以研发人员通常对应变或变形进行测量。研发人员还需要测量材料性能。BritMAPP项目的科研人员Elisberg说:“当明确知道负载情况,便可以很容易地测量出材料的直接反映。一旦掌握了材料的性能,我们便更有信心通过模型准确地预测出应力。现在的问题是我们仍需要找出导致材料失效的应力值。”  

复杂的模型,超级计算机使复杂模拟成为可能:

由于更复杂的建模和不断优化的超级计算机,模拟已经变的更加复杂。然而极其复杂的模型需要更长的计算时间,甚至需要超级计算机才能完成。


图 计算模拟结果

 

如上图所示为Sandia国家实验室BritMAPP项目展示的脆性材料的微观组织。其中左图为利用扫描电子显微镜观察到的实验结果,右图为模拟结果。

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