Als je wilt zien wat er gebeurt als je telefoon op beton valt, je kunt het zelfs laten vallen of een monteur vooraf de consequenties laten uitwerken.

De kans is groot dat je met de ingenieur meegaat.

Uitzoeken hoe brosse materialen in een apparaat zich gedragen, en falen, is een van de doelstellingen van het Brittle Materials Assurance Prediction Program (BritMAPP) van Sandia National Laboratories. Het programma, die twee jaar geleden begon en loopt tot 2020, bestudeert brosse materialen op drie manieren:spanning en belasting; breukmechanica om te zien hoe scheuren ontstaan ​​en zich ontwikkelen; en de relatie tussen materiaaleigenschappen en structuur.

broze materialen, zoals glas, plotseling en catastrofaal falen. In tegenstelling tot metalen, die deuken of buigen als ze vallen, broze materialen breken gewoon. "Je laat een hamer vallen, en het kan buigen; je laat glas vallen en het zal versplinteren. Het is klaar, " zei Ryan Jamison, die samen met Brenton Elisberg en andere collega's werkt aan het stress- en belastinggedeelte van het project.

Ze richten zich op hoe plotseling falen de prestaties beïnvloedt, betrouwbaarheid en veiligheid van componenten en systemen waar breuk ernstige gevolgen heeft, zoals medische apparaten of satellieten.

Sterkere brosse materialen die de slingers en pijlen van het dagelijks leven aankunnen, zullen alle soorten apparaten ten goede komen en uiteindelijk, de mensen die deze apparaten gebruiken. op een dag, het is misschien niet zo zorgelijk als je per ongeluk een mobiele telefoon laat vallen.

Sandia wil de wetenschap ontwikkelen, technologie en begrip om ervoor te zorgen dat brosse componenten in systemen met hoge gevolgen volledig functioneel blijven gedurende een levensduur van 30 jaar. BritMAPP-onderzoekers ontwikkelen mechanische modellen en ontdekken fundamentele eigenschappen en structuurrelaties, zodat ze kunnen overschakelen van kwalitatief technisch oordeel naar kwantitatieve voorspellingen van bros materiaalfalen en betrouwbaarheid.

Kwalitatieve technische beoordelingen zijn beslissingen op basis van ervaring en het vergelijken van resultaten - A is beter dan B - terwijl kwantitatieve voorspellingen nauwkeurig zijn op basis van het fysieke gedrag van een materiaal. "We willen overstappen van het maken van vergelijkingen, 'A is beter dan B, maar we weten echt niet hoe goed A is, ' tot het nemen van beslissingen op basis van meetbare kwaliteiten, 'A is beter dan B omdat A 10 jaar langer meegaat dan B, '" Zei Jamison. "Het verschil nauwkeurig kunnen kwantificeren is de sleutel."

Hoewel hij benadrukte dat er veel werk aan de winkel is, "we zijn al een eind op dat pad begonnen."

Modellen gebruiken om te voorspellen hoe lang onderdelen meegaan

Aangezien het niet mogelijk is om elk mogelijk scenario te testen, onderzoekers verzamelen gegevens voor computermodellen via laboratoriumexperimenten, materiaaleigenschappen meten om te begrijpen hoe dingen zich gedragen. Modelbouwers maken een computerweergave van een object en passen vervolgens fysieke wetten toe om te voorspellen hoe de materialen zich mechanisch gedragen:wat er gebeurt als ze worden uitgerekt of samengedrukt.

"Hier is modelleren waardevol, "Zei Jamison. "We kunnen nauwkeurige voorspellingen doen van dingen waar we gewoon geen gegevens voor kunnen krijgen. Het kan ons helpen begrijpen waarom het faalt - niet alleen dat het faalt, maar ook wat het falen veroorzaakt. We kunnen dingen heel anders onderzoeken dan jij op basis van een test, waar je niet alles tot microscopisch kleine stukjes kunt hakken en zien hoeveel onderdelen je moet onderzoeken voordat je het echt begrijpt."

Neem als voorbeeld een mobiele telefoon. "Telefoons zijn gemaakt van plastic en glas en andere soorten materialen. Vergelijkingen bepalen hoe deze materialen zich gedragen en we passen die vergelijkingen toe op die materialen in de vorm van een telefoon, "Zei Jamison. "Dan passen we verschillende omgevingen toe, zoals het laten vallen van uw telefoon. We simuleren dat in een computer, en door de vergelijkingen die deze materialen vertegenwoordigen, kunnen we bepalen of het glas of een ander onderdeel in de telefoon breekt."

Om nauwkeurige kwantitatieve antwoorden te geven, onderzoekers moeten de spanningen waarmee materialen worden geconfronteerd begrijpen. Het is moeilijk om stress zelf te meten, dus meten onderzoekers de resulterende spanning of vervorming. Bijvoorbeeld, ze duwen een stijf gereedschap in een broos materiaal en meten hoe scheuren zich verspreiden om de spanningstoestand af te leiden.

Ze meten ook materiaaleigenschappen. "Die zijn een beetje gemakkelijker omdat je de directe respons van een materiaal meet vanwege een bekende belasting die wordt uitgeoefend, "Zei Elisberg. "Zodra we materiaaleigenschappen hebben, hebben we meer vertrouwen dat onze modellen stress nauwkeurig voorspellen. Het probleem is dat we nog moeten uitzoeken welke spanning er nodig is om het materiaal te breken."

Geavanceerde modellen, supercomputers maken simulatie van complexiteit mogelijk

Dankzij meer geavanceerde modellering en steeds betere supercomputers, simulaties zijn complexer geworden, het vastleggen van materiaalgedrag dat nog niet zo lang geleden ondetecteerbaar was.

Nog altijd, extreem geavanceerde modellen hebben tijd nodig om te draaien, zelfs met supercomputers. Vorige zomer, Elisberg voerde 72 uur lang een simulatie uit op honderden processors, simuleren van een zeer lange reeks thermische testcycli. Dat zou twee jaar geleden onmogelijk zijn geweest vanwege onvoldoende computerverwerkingskracht en modellen die niet geavanceerd genoeg waren om de fysica vast te leggen die Sandia interesseert.

Het team bepaalt ook hoeveel complexiteit nodig is.

"Als ontwerpers van componenten gewoon willen weten of ontwerp A beter is dan ontwerp B, Dat kan ik je snel vertellen, Elisberg zei. "Als je meer specifiek wilt weten of en wanneer Design A gaat mislukken, dan doen we een complexere simulatie die dagen op een computer kan draaien, maar nu hebben we de mogelijkheid om te voorspellen of op zijn minst een veel beter idee te krijgen van wanneer het ontwerp bijna mislukt."

Jamison en Elisberg werken met glas-op-metaal afdichtingen, componenten die essentieel zijn voor het verzenden van elektrische signalen door hermetisch afgesloten systemen. Glas-op-metaal afdichtingen zijn alomtegenwoordig in alles, van medische apparaten tot telecommunicatie die te maken hebben met hoge temperaturen, druk of schok. Ze zijn ook belangrijk in nationale veiligheidstoepassingen die veel strengere eisen stellen aan overlevingsvermogen en levensduur, Elisberg en Jamison zeiden.

"De levensduurvereiste is waar we naartoe willen met dit Brittle Materials Assurance Prediction Program, "Zei Jamison. "Op dit moment kunnen we voorspellingen doen over wat er zou gebeuren met deze glas-op-metaal afdichtingen en kwalitatieve begeleiding geven aan ontwerpers en ingenieurs. Maar we hebben die toepassing met een hoger gevolg. We moeten met enige zekerheid kunnen zeggen dat deze componenten 30 jaar meegaan, en heb een materiaal- en wetenschappelijke verklaring waarom."

De volgende stap zijn experimenten om de levensduurvoorspellingen te valideren. "Wij geloven dat het gedrag nauwkeurig wordt gemodelleerd, maar het moet nog worden gevalideerd in complexere toepassingen, ' zei Elisberg.

"Het is dat huwelijk van experimenten en modellering, "Zei Jamison. "Met ontdekkingen die experimentatoren hebben gedaan, met vooruitgang in de modellering die we hebben gemaakt, we kunnen die informatie nemen die de experimentatoren waarnemen, zet het in de modellen en maak nauwkeurigere voorspellingen."