Si vous voulez voir ce qui se passe si votre téléphone tombe sur du béton, vous pouvez en fait le laisser tomber ou laisser un ingénieur déterminer les conséquences à l'avance.

Les chances sont que vous irez avec l'ingénieur.

Déterminer le comportement des matériaux fragiles à l'intérieur d'un appareil, et échouer, est l'un des objectifs du Brittle Materials Assurance Prediction Program (BritMAPP) de Sandia National Laboratories. Le programme, qui a commencé il y a deux ans et court jusqu'en 2020, étudie les matériaux fragiles de trois manières :contrainte et chargement; mécanique de la rupture pour voir comment les fissures commencent et se développent ; et la relation entre les propriétés des matériaux et la structure.

Matériaux fragiles, comme le verre, échouer soudainement et de façon catastrophique. Contrairement aux métaux, qui bosse ou plie en cas de chute, les matériaux cassants se cassent. "Tu lâches un marteau, et il pourrait se plier; vous laissez tomber du verre et il se brisera. C'est fait, " a déclaré Ryan Jamison, qui travaille avec Brenton Elisberg et d'autres collègues sur la partie stress et charge du projet.

Ils se concentrent sur la façon dont une défaillance soudaine affecte les performances, la fiabilité et la sécurité des composants et des systèmes dont la rupture a des conséquences graves, tels que les appareils médicaux ou les satellites.

Des matériaux fragiles plus résistants qui peuvent gérer les élingues et les flèches de la vie quotidienne profiteront à toutes sortes d'appareils et, en fin de compte, les personnes qui utilisent ces appareils. Un jour, ce n'est peut-être pas si inquiétant lorsque vous laissez tomber accidentellement un téléphone portable.

Sandia veut développer la science, la technologie et la compréhension pour garantir que les composants fragiles des systèmes à hautes conséquences restent pleinement fonctionnels sur une durée de vie de 30 ans. Les chercheurs de BritMAPP développent des modèles mécaniques et découvrent des relations fondamentales entre les propriétés et la structure afin de pouvoir passer d'un jugement d'ingénierie qualitatif à des prédictions quantitatives de la défaillance et de la fiabilité des matériaux fragiles.

Les jugements d'ingénierie qualitatifs sont des décisions basées sur l'expérience et la comparaison des résultats (A est meilleur que B), tandis que les prédictions quantitatives sont précises en fonction du comportement physique d'un matériau. "Nous voulons passer de la comparaison, 'A est meilleur que B mais nous ne savons vraiment pas à quel point A est bon, ' à prendre des décisions basées sur des qualités mesurables, 'A est meilleur que B car A durera 10 ans de plus que B, "", a déclaré Jamison. "Être capable de quantifier avec précision la différence est la clé."

Bien qu'il ait souligné qu'il y avait beaucoup de travail à faire, "nous sommes déjà bien engagés dans cette voie."

Utiliser des modèles pour prédire la durée de vie des pièces

Comme il n'est pas possible de tester tous les scénarios possibles, les chercheurs recueillent des données pour des modèles informatiques par le biais d'expériences en laboratoire, mesurer les propriétés des matériaux pour comprendre comment les choses se comportent. Les modélisateurs créent une représentation informatique d'un objet, puis appliquent des lois physiques pour prédire comment les matériaux se comportent mécaniquement :ce qui se passe lorsqu'ils sont étirés ou comprimés.

"C'est là que la modélisation est précieuse, " a déclaré Jamison. "Nous pouvons faire des prédictions précises sur des choses pour lesquelles nous ne pouvons tout simplement pas obtenir de données. Cela peut nous aider à comprendre pourquoi il échoue, pas seulement qu'il échoue, mais aussi ce qui cause l'échec. Nous pouvons examiner les choses bien différemment que vous ne le pouvez à partir d'un test, où vous ne pouvez pas tout couper en morceaux microscopiques et voir combien de pièces vous devez examiner avant de vraiment comprendre. »

Prenons l'exemple d'un téléphone portable. "Les téléphones sont constitués de plastique, de verre et d'autres types de matériaux. Les équations régissent le comportement de ces matériaux et nous appliquons ces équations à ces matériaux sous la forme d'un téléphone, " a déclaré Jamison. " Ensuite, nous appliquons différents environnements, comme laisser tomber votre téléphone. Nous simulons cela dans un ordinateur, et grâce aux équations qui représentent ces matériaux, nous pouvons déterminer si le verre ou un autre composant du téléphone se brise."

Pour donner des réponses quantitatives précises, les chercheurs doivent comprendre les contraintes auxquelles les matériaux sont confrontés. Il est difficile de mesurer le stress lui-même, les chercheurs mesurent donc la déformation ou la déformation qui en résulte. Par exemple, ils pousseront un outil rigide dans un matériau cassant et mesureront la propagation des fissures pour déduire l'état de contrainte.

Ils mesurent également les propriétés des matériaux. "Ce sont un peu plus faciles parce que vous mesurez la réponse directe d'un matériau en raison d'une charge connue qui est appliquée, " a déclaré Elisberg. " Une fois que nous avons les propriétés des matériaux, nous avons plus de confiance que nos modèles prédisent avec précision le stress. Le problème est que nous devons encore déterminer quelle contrainte est nécessaire pour casser le matériau."

Des modèles sophistiqués, les supercalculateurs permettent de simuler la complexité

Grâce à une modélisation plus sophistiquée et à des supercalculateurs en constante amélioration, les simulations sont devenues plus complexes, capturer le comportement des matériaux indétectable même il y a peu de temps.

Toujours, les modèles extrêmement sophistiqués prennent du temps à fonctionner même avec des supercalculateurs. L'été dernier, Elisberg a effectué une simulation pendant 72 heures sur des centaines de processeurs, simuler une très longue série de cycles d'essais thermiques. Cela aurait été impossible il y a deux ans en raison d'une puissance de traitement informatique insuffisante et de modèles pas assez sophistiqués pour capturer la physique qui intéresse Sandia.

L'équipe détermine également le degré de complexité nécessaire.

"Si les concepteurs de composants veulent simplement savoir si la conception A est meilleure que la conception B, Je peux te le dire rapidement, " a déclaré Elisberg. " Si vous voulez savoir plus précisément si et quand la conception A va échouer, c'est alors que nous exécutons une simulation plus complexe qui peut s'exécuter sur un ordinateur pendant des jours, mais maintenant, nous avons la capacité de prédire ou au moins d'avoir une bien meilleure idée du moment où la conception est proche de l'échec."

Jamison et Elisberg travaillent avec des joints verre-métal, composants essentiels à l'envoi de signaux électriques à travers des systèmes hermétiquement scellés. Les joints verre-métal sont omniprésents dans tout, des dispositifs médicaux aux télécommunications qui font face à des températures élevées, pression ou choc. Ils sont également importants dans les utilisations de sécurité nationale qui ont des exigences de survie et de durée de vie beaucoup plus strictes, Elisberg et Jamison ont dit.

"L'exigence de durée de vie est l'endroit où nous essayons d'aller avec ce programme de prédiction d'assurance des matériaux fragiles, " A déclaré Jamison. " À l'heure actuelle, nous pouvons faire des prédictions sur ce qui se passerait avec ces joints verre-métal et donner des conseils qualitatifs aux concepteurs et aux ingénieurs. Mais nous avons cette application de conséquence plus élevée. Nous devons être en mesure de dire avec un certain degré de certitude que ces composants dureront 30 ans, et avoir une explication des matériaux et de la science pourquoi. "

La prochaine étape consiste en des expériences pour valider les prédictions de durée de vie. "Nous pensons que le comportement est modélisé avec précision mais il doit encore être validé dans des applications plus complexes, ", a déclaré Elisberg.

"C'est ce mariage d'expérimentations et de modélisation, " a déclaré Jamison. "Avec les découvertes que les expérimentateurs ont faites, avec les progrès de la modélisation que nous avons réalisés, nous pouvons prendre cette information que les expérimentateurs observent, mettez-le dans les modèles et faites des prédictions plus précises."