Comment les concepteurs de gros porteurs développent-ils des matériaux résilients pour les cellules modernes, tout en réalisant leurs projets dans les délais et dans les limites du budget ? Avant de prototyper un nouveau matériau, ils dépendent fortement des simulations informatiques pour indiquer comment il fonctionnera - et les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) rendent ces simulations plus efficaces.

Une équipe comprenant des scientifiques du NIST a trouvé un moyen d'améliorer le processus de simulation de l'apparition d'une défaillance dans les matériaux utilisés pour construire les ailes d'avion. Comprendre ce point d'initiation est essentiel pour prédire quand et comment les ailes échouent. Leur méthode montre aux concepteurs comment soumettre un échantillon particulier à une série de scénarios de stress pour déterminer efficacement la quantité d'étirement qui provoquera sa rupture.

L'approche, selon le physicien du NIST Paul Patrone, pourrait aider à résoudre l'un des facteurs clés qui réduit l'efficacité des simulations - l'incertitude dans leur prédiction de la force de l'aile.

"La propriété matérielle la plus spectaculaire dont les ingénieurs aérospatiaux et le public se soucient est probablement la distance à laquelle une aile peut se plier avant de se casser, " dit Patrone. " Historiquement, les simulations ont fait un mauvais travail pour prédire cela parce que vous avez besoin d'informations détaillées sur la structure atomique du matériau sur de grandes distances. Les ordinateurs ne sont tout simplement pas assez puissants pour simuler de tels systèmes, nous espérons donc que cette nouvelle approche fournira une solution de contournement."

Le développement d'un nouveau composite haute performance est un processus laborieux. Les entreprises aérospatiales imaginent un grand nombre d'ingrédients candidats, réduire la liste à quelques-uns prometteurs, puis mélangez-les ensemble dans des combinaisons qui pourraient donner le matériau le plus solide. Mais un service R&D ne peut pas tout mélanger ou faire des tests de résistance sur un très grand nombre. Ils se tournent donc parfois vers le NIST pour trouver des moyens d'obtenir rapidement des résultats efficaces.

Une approche a été de simuler directement la force requise pour plier un échantillon, mais pas d'une aile entière composée de quelques milliers d'atomes. "Il est possible d'exécuter 50 de ces simulations par semaine sur un supercalculateur, " Patron a dit, " et en principe, qui aide les ingénieurs à se concentrer sur les combinaisons qui valent la peine d'être testées en laboratoire. Le problème est que nous devons déduire indirectement l'initiation de l'endommagement des forces simulées, ce qui ne fonctionne tout simplement pas bien pour de si petits systèmes."

Le document de l'équipe montre aux entreprises une meilleure façon de concevoir ces simulations. Ils tombent sur une idée simple mais efficace :simuler la déformation de ce minuscule morceau de matière en augmentant les quantités et permettre de sauvegarder l'état de la simulation à un moment donné. L'avantage de l'économie d'État, Patron a dit, est que vous pouvez voir ce qui se passe si le matériau est autorisé à se détendre.

"C'est un peu comme prendre le matériau sur une route avec différentes fourches et regarder ce qui se passe dans chacune d'elles, " a-t-il dit. " Nous arrêtons la simulation à différents moments du parcours et demandons, 'Si j'arrêtais d'essayer de plier ça, ce qui se passerait? Resterait-il plié, ou rebondir à sa forme d'origine ?' Nous avons la possibilité d'explorer toutes ces fourches, ce qui nous permet d'indiquer plus précisément quand le matériau a été endommagé pour la première fois."

Parce qu'un nouveau gros porteur peut coûter plusieurs milliards de dollars en coûts de développement, Patron a dit, des améliorations comme celle-ci peuvent aider les entreprises à faire confiance à la fiabilité de leurs approches de modélisation avant de s'engager dans des étapes plus coûteuses impliquant des matériaux du monde réel.

"Notre approche fournit un nouveau 'signal' pour le point de rupture d'un matériau qui, espérons-le, améliorera la fiabilité des simulations, " at-il dit. " Cela nous a également permis de quantifier statistiquement notre confiance dans leurs prédictions. On a besoin de ça, si les simulations doivent être utilisées comme proxy pour les expériences. »