Virtuální testování znamená rychlejší způsob vývoje i optimalizaci materiálů
Přemýšleli jste někdy o tom, jak se nové materiály testují a optimalizují, než se stanou součástí produktů, které denně používáme? Není to tak jednoduché, jak by se mohlo zdát. Tradiční metody zahrnují mnoho fyzických testů, které jsou nejen nákladné, ale také časově náročné. Co kdybychom však většinu těchto testů mohli provádět pomocí počítačového software? Právě zde vstupuje do hry virtuální testování materiálů, které může zcela změnit způsob, jakým vyvíjíme a optimalizujeme kompozitní materiály.
Proč virtuální testování materiálů?
Představte si, že máte za úkol navrhnout nový lehký a pevný materiál pro letadlo. Tradičně byste museli vytvořit řadu fyzických vzorků a testovat je jeden po druhém. Tento proces je nejen drahý, ale také neuvěřitelně zdlouhavý.
Například zkouška tečení (creep test) vypovídá o tom, jak se materiál deformuje pod stálým zatížením v průběhu času. Zatímco zkouška únavy (fatigue test) zahrnuje opakované namáhání materiálu, aby se zjistilo, jak reaguje. V závislosti na materiálu a podmínkách testu může trvat několik dní až několik let, než se vzorek zcela poruší.
Nemůžete si dovolit čekat tak dlouho.
Virtuální testování materiálů nám umožňuje simulovat tyto testy během několika hodin nebo dokonce minut pomocí počítačových modelů. Ještě lepší informace je, že výzkumníci mohou stejný test zopakovat nebo změnit podmínky stisknutím jediného tlačítka. V některých případech lze celý proces automatizovat. Tento přístup nejen snižuje náklady, ale také urychluje vývojový proces.
Role dat ve vývoji materiálů
Datová věda se stala trendem v mnoha průmyslových odvětvích a materiálová věda není výjimkou. Nové přístupy, jako je „informatika materiálů“ nebo „datově řízený design“, vyžadují velké množství dat, která pomáhají trénovat modely umělé inteligence (AI). U kompozitních materiálů však často nemáme dostatečně rozsáhlé databáze a fyzické testování obvykle nedokáže poskytnout potřebné množství dat dostatečně rychle.
Zde přichází na scénu virtuální testování materiálů.
Používá metodu konečných prvků (FEM) k vytvoření podrobného počítačového modelu materiálu, který umožňuje předpovědět jeho chování za různých podmínek. Tato metoda, známá jako homogenizace, eliminuje potřebu rozsáhlého fyzického testování a poskytuje dostatek dat pro spolehlivé počítačové simulace.
- Vytvoření modelu – Nejprve se vytvoří konečno-prvkový model reprezentující mikrostrukturu materiálu, přičemž se definují jeho geometrické a materiálové vlastnosti na mikroskopické úrovni.
- Virtuální testování – Na tomto modelu se provádějí různé simulace, které napodobují podmínky, s nimiž se materiál může setkat v reálném světě.
- Analýza dat – Výsledky testů se analyzují, aby se určily makroskopické vlastnosti materiálu. Tato data jsou klíčová pro pochopení jeho chování v reálných aplikacích.
- Optimalizace – Na základě výsledků lze upravit složení nebo mikrostrukturu materiálu pro dosažení optimálních vlastností.
- Integrace do databází – Shromážděná data se ukládají do rozsáhlých databází, jako je Ansys Granta MI, což usnadňuje jejich přístup a vizualizaci.
Překonávání výzev virtuálního testování
Přestože virtuální testování materiálů přináší mnoho výhod, má i své výzvy. Jednou z hlavních překážek je potřeba přesných a komplexních materiálových dat. Bez těchto dat mohou i nejlepší simulace produkovat nespolehlivé výsledky. Proto je důležité budovat robustní databáze materiálů.
Řešením je integrovaný pracovní postup mezi softwarem Ansys a Multiscale.Sim – nástrojem pro multiscale analýzu a simulaci kompozitů, který vyvinula společnost CYBERNET v Japonsku.
Multiscale.Sim je zabudován do platformy Ansys Workbench a zahrnuje propojení s různými aplikacemi Ansys, jako jsou Rocky, Granta MI a LS-DYNA. Podporuje širokou škálu multifyzikálních problémů a nabízí jedinečné možnosti simulace materiálů, včetně homogenizace tenkých desek s ekvivalentní tuhostí v ohybu a kroucení (B a D matice) nebo multiscale analýzy složitých nelineárních problémů, jako je tečení, viskoelasticita a porušování materiálů.
Lattice struktury – nový směr v materiálové vědě
Lattice struktury jsou důležitou oblastí v materiálové vědě. Tyto lehké struktury, známé jako metamateriály, často vykazují jedinečné vlastnosti, které nejsou běžné u tradičních materiálů. Pomocí aditivní výroby lze vytvářet složité lattice geometrie, které výrazně ovlivňují makroskopické vlastnosti materiálů.
Fyzické testování těchto složitých návrhů by však bylo extrémně obtížné. Virtuální testování materiálů umožňuje důkladně a efektivně prozkoumat tyto návrhy bez nutnosti nákladných a časově náročných fyzických experimentů.
Reálné aplikace virtuálního testování
Jednou z fascinujících aplikací virtuálního testování materiálů je oblast biomedicínského inženýrství, konkrétně výroba umělých kostí. Přirozeně se vyskytující biokompatibilní materiály často nedokážou přesně napodobit složitou strukturu a vlastnosti lidské kosti. Proto inženýři využívají metamateriály navržené tak, aby byly lehké a zároveň pevné.
Výroba umělých kostí zahrnuje pokročilé 3D tiskové technologie a využívá lattice struktury pro optimální rozložení hmotnosti. Výzkumníci mohou díky virtuálnímu testování zkoumat různé návrhy během krátkého času, což výrazně zrychluje vývoj.
Budoucnost návrhu materiálů
Budoucnost vývoje materiálů spočívá ve virtuálním testování, které se neustále zdokonaluje díky pokročilým simulačním nástrojům a integraci s inteligentními databázemi. Tyto technologie umožňují rychlejší vývojové cykly a sofistikovanější návrhy materiálů, což vede k inovacím a udržitelným produktům napříč různými průmyslovými odvětvími.
Až tedy příště uslyšíte o průlomovém materiálu, pravděpodobně za ním bude stát virtuální testování.
