Интегрированная вычислительная инженерия материалов (ICME) — это подход к проектированию продуктов, материалов, из которых они состоят, и связанных с ними методов обработки материалов путем связывания моделей материалов в различных масштабах. Ключевые слова: «Интегрированный», включающий интеграцию моделей в разных масштабах, и «Инжиниринг», обозначающий промышленную полезность. Основное внимание уделяется материалам, то есть пониманию того, как процессы создают структуры материалов, как эти структуры определяют свойства материала и как выбирать материалы для данного применения. Ключевыми связями являются процесс-структура-свойства-производительность. В отчете национальных академий описывается необходимость использования многомасштабного моделирования материалов для определения технологических структур, свойств и характеристик материала.
Стандартизация в ICME
Основным требованием для достижения амбициозной цели ICME по проектированию материалов для конкретных изделий и компонентов является комплексное и междисциплинарное вычислительное описание истории компонента, начиная с исходного состояния однородного, изотропного и свободного от напряжений расплава и газовой фазы, и продолжая последующими этапами обработки и в конечном итоге заканчивая описанием начала разрушения под эксплуатационной нагрузкой.
Интегрированная вычислительная инженерия материалов — это подход к проектированию продуктов, материалов, из которых они состоят, и связанных с ними методов обработки материалов путем связывания моделей материалов в различных масштабах. Таким образом, ICME, естественно, требует сочетания различных моделей и программных инструментов. Таким образом, общей целью является создание научной сети заинтересованных сторон, концентрирующейся на продвижении ICME в промышленное применение путем определения общего стандарта связи для соответствующих инструментов ICME.
Стандартизация обмена информацией
Усилия по созданию общего языка путем стандартизации и обобщения форматов данных для обмена результатами моделирования представляют собой важный обязательный шаг на пути к успешному будущему применению ICME. Будущая структурная структура ICME, включающая множество инструментов академического и/или коммерческого моделирования, работающих в разных масштабах и модульно связанных между собой общим языком в форме стандартизированного обмена данными, позволит интегрировать различные дисциплины в производственную цепочку, которая к настоящему времени уже только почти не общались. Это существенно улучшит понимание отдельных процессов за счет интеграции истории компонентов, полученной на предыдущих этапах, в качестве начального условия для реального процесса. В конечном итоге это приведет к оптимизации процессов и сценариев производства и позволит эффективно адаптировать конкретные материалы и свойства компонентов.
Проект ICMEg и его миссия
Проект ICMEg направлен на создание научной сети заинтересованных сторон, концентрирующейся на продвижении ICME в промышленное применение путем определения общего стандарта связи для соответствующих инструментов ICME. В конечном итоге это позволит заинтересованным сторонам из электронного, атомистического, мезоскопического и континуального сообществ получить выгоду от обмена знаниями и передовым опытом и, таким образом, способствовать более глубокому взаимопониманию между различными сообществами ученых-материаловедов, ИТ-инженеров и промышленных пользователей.
ICMEg создаст международную сеть поставщиков и пользователей моделирования. Это будет способствовать более глубокому взаимопониманию между различными сообществами (научными кругами и промышленностью), каждое из которых сейчас использует совершенно разные инструменты/методы и форматы данных. Гармонизация и стандартизация обмена информацией на протяжении жизненного цикла компонента и в различных масштабах (электронном, атомистическом, мезоскопическом, континуальном) являются ключевым направлением деятельности ICMEg.
Миссия ICMEg:
Деятельность ICMEg включает в себя:
Проект ICMEg завершился в октябре 2016 года. Его основными результатами являются
Большую часть деятельности, начатой в проекте ICMEg, продолжают Европейский совет по моделированию материалов и проект MarketPlace.
Многомасштабное моделирование в обработке материалов
Многомасштабное моделирование направлено на оценку свойств или поведения материала на одном уровне с использованием информации или моделей с разных уровней и свойств элементарных процессов.
Обычно выделяют следующие уровни, рассматривающие явление в течение определенного периода длины и времени:
Существует несколько программных кодов, которые работают в разных масштабах длины, например:
Полный сборник программных инструментов, имеющих отношение к ICME, описан в Справочнике программных решений для ICME.
Примеры интеграции моделей
Образование
На заседании технического комитета MS&T ICME в 2010 году Кацуё Тортон объявила, что NSF будет финансировать «Летнюю школу» по ICME в Мичиганском университете, начиная с 2011 года. Северо-западный университет начал предлагать сертификат магистра наук по ICME осенью 2011 года. Первый курс по интегрированной вычислительной инженерии материалов (ICME), основанный на Horstemeyer 2012, был прочитан в Университете штата Миссисипи (MSU) в 2012 году в качестве курса для выпускников с участием студентов заочного обучения [ср. Sukhija et al., 2013]. Позднее он преподавался в 2013 и 2014 годах в MSU также со студентами заочного обучения. В 2015 году курс ICME преподавали доктор Марк Хорстемейер (MSU) и доктор Уильям (Билл) Шелтон (Университет штата Луизиана, LSU) со студентами из каждого учреждения с помощью дистанционного обучения. Целью методологии, принятой в этом курсе, было предоставить студентам базовые навыки использования вычислительных инструментов и экспериментальных данных, предоставленных EVOCD, при проведении симуляций и процедур сопряжения для количественной оценки взаимосвязей структуры и свойств материалов в различных масштабах длины. После успешного завершения назначенных проектов студенты опубликовали свои результаты обучения многомасштабному моделированию на ICME, что упростило оценку достижений студентов и охватило качества, установленные советом по инженерной аккредитации ABET.