Hur utvecklar jumbojetdesigners fjädrande material för moderna flygplan, samtidigt som de tar in sina projekt i tid och inom budget? Innan de prototyper ett nytt material, de är starkt beroende av datorsimuleringar för att indikera hur det kommer att fungera - och forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) gör dessa simuleringar mer effektiva.
Ett team inklusive NIST-forskare har hittat ett sätt att förbättra processen för att simulera uppkomsten av fel i materialen som används för att bygga flygplansvingar. Att förstå denna initieringspunkt är avgörande för att förutsäga när och hur vingarna misslyckas. Deras metod visar designers hur man sätter ett visst prov genom en serie stressscenarier för att effektivt bestämma mängden sträckning som kommer att få det att gå sönder.
Tillvägagångssättet, enligt NIST-fysikern Paul Patrone, kan hjälpa till att ta itu med en av nyckelfaktorerna som minskar effektiviteten av simuleringar – osäkerhet i deras förutsägelse av vingens styrka.
"Förmodligen den mest dramatiska materiella egenskapen som flygingenjörer och allmänheten bryr sig om är hur långt en vinge kan böjas innan den går sönder, sade Patrone. Historiskt sett, simuleringar har gjort ett dåligt jobb med att förutsäga detta eftersom du behöver detaljerad information om materialets atomstruktur över stora avstånd. Datorer är helt enkelt inte tillräckligt kraftfulla för att simulera sådana system, så vi hoppas att den här nya metoden kommer att ge en lösning."
Att utveckla en ny högpresterande komposit är en mödosam process. Flygföretag drömmer om ett stort antal kandidatingredienser, begränsa listan till ett fåtal lovande, och blanda sedan ihop dessa i kombinationer som kanske ger det starkaste materialet. Men en FoU-avdelning kan inte blanda alla eller köra stresstester på särskilt många. Så de vänder sig ibland till NIST för att hitta sätt att snabbt få effektiva resultat.
Ett tillvägagångssätt har varit att direkt simulera kraften som krävs för att böja ett prov, men inte av en hel vinge gjord av den - bara av några tusen atomer. "Det är möjligt att köra 50 av dessa simuleringar i veckan på en superdator, " Patron sa, "och i princip som hjälper ingenjörer att hitta de kombinationer som är värda att testa i labbet. Problemet är att vi måste sluta oss till skadeinitieringen indirekt från de simulerade krafterna, vilket helt enkelt inte fungerar bra för så små system."
Teamets papper visar företag ett bättre sätt att designa dessa simuleringar. De fick en enkel men effektiv idé:Simulera deformering av denna lilla bit av material genom att öka mängderna och gör det möjligt att spara tillståndet för simuleringen vid en given punkt. Fördelen med statssparande, Patron sa, är att man kan se vad som händer om materialet får slappna av.
"Det är ungefär som att ta materialet på en väg med olika gafflar och titta på vad som händer längs var och en, " sa han. "Vi pausar simuleringen vid olika punkter längs vägen och frågar, "Om jag slutade försöka böja det här, vad skulle hända? Skulle den vara böjd, eller studsa tillbaka till sin ursprungliga form? Vi har förmågan att utforska alla dessa gafflar, vilket tillåter oss att mer exakt ange när materialet först skadades."
Eftersom en ny jumbojet kan dra upp flera miljarder dollar i utvecklingskostnader, Patron sa, Förbättringar som denna kan hjälpa företag att lita på tillförlitligheten i sina modelleringsmetoder innan de förbinder sig till dyrare steg som involverar verkliga material.
"Vårt tillvägagångssätt ger en ny "signal" för ett materials brytpunkt som förhoppningsvis kommer att förbättra simuleringarnas tillförlitlighet, ”, sade han. ”Den tillät oss också att statistiskt kvantifiera vårt förtroende i deras förutsägelser. Det behöver vi, om simuleringar ska användas som en proxy för experiment."
