В статье рассмотрены функциональные возможности базы данных Total Materia с точки зрения оптимизации свойств, в том числе веса, посредством корректного выбора материалов. Кратко упоминая другие аспекты базы данных, предназначенные для сложных инженерных расчетов и моделирования, в статье описываются возможности сравнения и анализа свойств для тысяч самых разнообразных материалов.
Виктор Поцайт, д.т.н., профессор, Key to Metals AG, Швейцария, Цюрих.
Невозможно переоценить важность точной информации о свойствах материалов для инженерных расчетов и моделирования, таких как CAE/CAD и FEA. Обычные механические свойства, такие как предел текучести, предел прочности, твердость и пластичность, могут отличаться более чем в десять раз для конструкционных сталей при комнатной температуре в зависимости от легирующих элементов, термообработки и изготовления. В связи с этим аппроксимация с использованием типичных значений свойств для некоторых групп сплавов может привести к серьезным ошибкам [1].
База данных свойств материалов Total Materia была разработана с целью помочь инженерам преодолеть эти сложности и снизить риски возникновения ошибок при выборе материала, а также для экономии за счет использования более дешёвых и доступных альтернативных материалов. На сегодняшний день Total Materia содержит более 20 миллионов записей о механических, физических и других свойствах для более чем 450 тыс. материалов со всего мира, а также инструменты для выбора и сравнения материалов и свойств. База данных применяется на различных этапах рабочего процесса проектирования и моделирования, от концептуального проектирования до моделирования формования и производства.
Примеры использования
Информацию о материалах и их свойствах можно использовать в разных инженерно-технических работах, но в качестве типичных примеров можно выделить четыре варианта использования:
- Детальный анализ свойств известного материала;
- Поиск материала или нескольких материалов по требуемому набору свойств и условий;
- Выбор лучшей альтернативы из группы материалов;
- Концептуальное проектирование с первичным подбором материалов.
Первый вариант использования в принципе является наиболее простым и может быть легко применен в Total Materia. По марке материала пользователь может просмотреть механические, физические и другие свойства в табличном или графическом формате, Рис. 1. В качестве актуального примера, в базе данных можно легко найти плотность как один из основных факторов веса конструкции.
Что касается общего обзора свойств, интересным аспектом являются расширенные данные о нелинейных механических свойствах, которые обычно очень трудно найти. Для решения этой проблемы была разработана специальная часть базы данных, содержащая кривые напряжения-деформации, данные о пластичности, циклические свойства, механику разрушения и свойства ползучести. В процессе разработки было собрано, проверено и обработано более 2 200 экспериментальных данных, начиная от относительно больших сборников данных и заканчивая отдельными статьями, датируемыми более 60 лет назад, и последними доступными экспериментами. Кроме того, была разработана запатентованная методология для обработки исходных данных, состоящая из определенного набора алгоритмов выборки, обработки и оценки данных для каждого из пяти модулей расширенных свойств [3].
Во втором примере использования материал неизвестен, но отправной точкой являются механические и другие свойства, полученные с помощью структурных расчетов или других методов. Используя логические операторы «И» и «ИЛИ», пользователь может комбинировать требуемые значения механических и физических свойств для определения условий, которым должны соответствовать материалы, Рис. 2.
В результате предоставляется список материалов, соответствующих заданным критериям, который может включать до тысяч материалов. При необходимости список этих результатов затем может быть перенесён в другие модули базы данных, чтобы обеспечить процесс выбора обширным набором свойств: пользователь может комбинировать критерии механических свойств при различных температурах с данными напряжения-деформации, циклическими свойствами, коррозионными свойствами и свариваемостью.
Дополнительной опцией является поддержка работ по обратному инжинирингу: в этом случае можно указать содержание некоторых легирующих элементов или полный химический состав, а затем перенести его в специализированный модуль для идентификации материала [4].
Третий пример использования, который напрямую связан с оптимизацией веса, может либо входить в рабочий процесс после предыдущего случая, либо осуществляться независимо. Это подразумевает подбор группы материалов, а затем сравнение и анализ их свойств для поиска наиболее подходящего материала для конкретного применения.
В Total Materia материалы можно сравнивать различными способами: от целых наборов данных свойств материалов бок о бок, сравнения различных кривых и многоточечных данных, до графического анализа выбранных свойств в разных измерениях. Недавно разработанный инструмент «Аналитика» особенно полезен для оптимизации веса с возможностью анализа соотношения свойств, что позволяет одномерно визуализировать значения отношения структурных свойств, таких как модуль упругости к плотности. На рисунке 3a показан пример выбора оптимального материала, который обеспечит наилучшие конструкционные характеристики при наименьшем весе. Отношение структурного свойства к плотности также может быть двумерно визуализировано с помощью другого свойства, например, предел текучести, как показано на рисунке 3b. Кроме того, в процессе поиска группой материалов можно управлять различными способами, например, уменьшать список материалов путем определения ограничений, или увеличивать за счет просмотра альтернативных материалов из таблиц перекрестных ссылок аналогичных материалов.
Рисунок 3: а — Сравнение значений соотношения модуля упругости к плотности для нескольких материалов, выбранных пользователем; б — Двумерное сравнение соотношения модуля упругости к плотности по одной оси и пределом текучести по другой
В последнем примере использования, поскольку инженер-конструктор обычно начинает с «чистого холста», теоретически изначально все материалы могут рассматриваться для конечного выбора. В режиме Material Discovery, аналогично предыдущему случаю, происходит визуализация свойств, выбранных пользователем из базы данных Total Materia. В данном случае отображаются разбитые по основным группам материалы, например, цветные металлы, сплавы на железной основе, полимеры, композиты и др. Принципы этой визуализации похожи на график Эшби [5], с той разницей, что Material Discovery содержит полные наборы свойств для более чем 450 000 материалов и 20 миллионов экспериментальных и стандартизованных точек данных.
Начиная с отправного обзора, можно перейти к выбору дополнительных конкретных групп материалов, например, титановые сплавы, полимеры PA 66 или определенные виды композитов, отфильтрованных по интересующей стране или стандарту, диапазонам температур, Рис. 4. Как только список подобранных материалов уменьшается, он может быть передан в раздел «Аналитика» или другие функции сравнения для подробного анализа материалов и свойств друг с другом.
Возможности интеграции с CAE, PLM и другим
инженерным ПО
В случае, когда надежные данные о свойствах и инструменты для выбора материалов уже доступны, имеет смысл интегрировать их с различными CAE, PLM и другим инженерным программным обеспечением. Обычно это обеспечивает повышенный уровень точности используемых данных и экономию времени для потенциально большой группы инженеров с разнообразными требованиями к информации.
В качестве начального шага был разработан модуль eXporter, который позволяет пользователю выбирать интересующие свойства и экспортировать их в различные форматы, такие как XML, XLS и более 20 различных форматов CAE и PLM [6].
ССЫЛКИ
[1] А.Радович, Н. Радович: «От механики разрушения к оценке структурной целостности». Belgrade: Society for Structural Integrity and Life, 2004.
[2] V. Vasisht Venkatesh, D. Furrer: Introduction to Data Workflows in ICMSE. UCSB Workshop on Collection and Analysis of Big Data in 3D Materials Science, 2015.
[3] В. Поцайт, К. Новак: Новые свойства в Total Materia для моделирования в CAE. 18th Simufact Roundtable, Marburg, Germany, 2017.
[4] В. Поцайт: Методы и алгоритмы идентификации металлических сплавов. US Patent 8,918,290 B2, 2014.
[5] M. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design. Elsevier, 2005.
[6] Key to Metals AG: eXporter. www.totalmateria.com/documents/eXporter_ru.pdf , 2017.
[7] Key to Metals AG: Total Materia API для Toyota Motorsport, внутренний документ. Цюрих, 2016.
[8] Specification of materials and finishes in IT systems, VDA, Bietigheim-Bissingen, 2016.
