Osnove modeliranja materialov na več merilih

Predmet se izvaja v programu:
Znanost o materialih

Cilji in kompetence

Lastnosti materialov so posledica različnih pojavov na merilih od angstrema do metra in samo obravnava na več merilih lahko poda celovito razumevanje. Raziskovalci materialov morajo zato razumeti osnovne koncepte in tehnike iz različnih področij in te integralno predstavimo v tem predmetu. Računalnik nam omogoča učinkovito reševanje najrazličnejših problemov v znanosti in tehniki materialov. Poglavitni cilj predmeta Modeliranje materialov na več merilih je predstaviti študentom temeljne koncepte, ki se uporabljajo pri simulaciji različnih materialov (kovine, polimeri, keramika in njihovi kompoziti) na različnih merilih (mehanika kontinuuma, fazno polje, statistična mehanika, molekularne in atomističe simulacije, kvantna mehanika). Učni načrt je oblikovan tako, da študente spozna z vsemi osnovnimi koncepti ter jih usposobi za uporabo računalniških programov za reševanje problemov lastnosti materialov, njihovega procesiranja in uporabe. Sposobni bodo reševanja standardnega spektra problemov, povezanih z mikroskopskimi in makroskopskimi problemi mehanike trdnin in tekočin. Razvili pa bodo tudi znanja, potrebna za reševanje težjih, bolj poglobljenih in nestandardnih problemov.

Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti

Potrebna so osnovna visokošolska znanja iz matematike, fizike, kemije, materialov, numeričnih metod ter osnovna znanja uporabe računalnika ter vsaj enega od sodobnih operacijskih sistemov (Windows, Linux ali OS X).

Vsebina

Predmet Modeliranje materialov na več merilih podaja osnovno razumevanje pojavov in numeričnih postopkov, ki jih uporabljamo na širokem področju simulacij matarialov od elektronskega pa do makroskopskega nivoja. Poudarek je na formulacijah in modelih osnovnih fizikalnih pojavov na vsakem izmed meril, njihovi sklopitvi in kako z njimi simuliramo specifični material. Študentje pripravijo seminar, ki osvetli eno izmed obravnavanih vsebin.

  1. Uvod
    • Cilji in namen predmeta
    • Predstavitev učnega programa
    • Predstavitev učnih pripomočkov, virov in načina dela
    • Predstavitev obveznosti študentov
    • Napotki in sugestije za študij

h2. 2. Osnovni pojmi
• Kontinuum
• Ohranitvene enačbe in kontinuitetna enačba
• Ohranitev gibalne količine
• Ohranitev vrtilne količine
• Ohranitev energije
• Prenos sestavin
• Entropija
• Konstitutivne enačbe
• Robni in začetni pogoji

h2. 3. Skaliranje in modelske poenostavitve
• Osnovna skalirna analiza
• Majhni parametri in mejne plasti
• Standardne brezdimenzijske grupe

h2. 4. Elementi numeričnih algoritmov
• Metoda utežnih ostankov (MUO)
• Najbolj popularne numerične metode kot posebni primeri MUO.
• Metode za generacijo mreže
• Načini reševanja posebnih sistemov

h2. 5. Računalniška kvantna mehanika
• Schroedingerjeva enačba
• Sistemi s spinom
• Sistemi v realnem prostoru
• Kombinacija prostor in spina
• Metode integracije poti

h2. 6. Molekularna dinamika
• Področja uporabe in omejitve
• Potenciali
• Specifični algoritmi molekularne dinamike
• Primeri

h2. 7. Metoda faznega polja
• Področja uporabe in omejitve
• Formulacije modelov faznega polja
• Specifični algoritmi fazega polja
• Primeri

h2. 8. Nestisljivi in stisljivi tok
• Konstitutivne enačbe, robni pogoji.
• Posebnosti numeričnega reševanja
• Tlačno-hitrostne sklopitve

h2. 9. Newtonski in ne-Newtonski tokovi
• Počasni Newtonski tokovi
• Proste površine in gibajoči se robovi
• Tokovi z veliko inercijo
• Ne-Newtonske konstitucijske zveze
• Formulacije za modeliranje turbulence

h2. 10. Deformacija trdnin
• Mikroskopski in makroskopski opis
• Konstitucijske enačbe, elastično, plastično, viskoplastično obnašanje
• Numerično reševanje
• Majhne deformacije
• Velike deformacije

h2. 11. Primeri simulacij iz molekularne dinamike, faznega polja in mehanike trdnin in tekočin

h2. 12. Praktično delo s simulacijskimi sistemi
• Fluent
• Deform
• OpenFOAM
• Računalniški programi LVP in LSMP
• Itd.

Predvideni študijski rezultati

Študenti bodo osvojili osnovne koncepte razumevanja in računalniškega modeliranja materialov na različnih merilih. Sposobni bodo samostojnega konceptualnega razvoja ustreznega numeričnega modela in uporabe sodobnih simulacijskih sistemov. Sposobni bodo računalniških optimizacij snovnih lastnosti in procesiranja materialov.

Temeljna literatura in viri

  • Z.X. Guo, Multiscale materials modelling, Fundamentals and applications, 1st Edition, Woodhead Publishing, London, 2007
  • E.B. Tadmor and R.E. Miller, Modeling materials: continuum, atomistic and multiscale techniques, Cambridge University Press, Cambridge, 2011.
  • E.B. Tadmor, R.E. Miller and R.S. Elliott, Continuum mechanics and thermodynamics: From fundamental concepts to governing equations, Cambridge University Press, Cambridge, 2012.
  • H. Kroemer, Quantum mechanics for engineering, materials science and applied physics, Prentice hall series in solid state physical electronics, New Jersey, 1994.
  • C. Pozrikidis, Introduction to theoretical and computational fluid dynamics, Oxford University Press, Oxford, 2011.
  • Y.C. Fung, P. Tong, Classical and computational solid mechanics, World Scientific Publishing, Singapore, 2001.
  • Fluent Computer code manual.
  • Deform computer code manual.
  • OpenFOAM manuals from training courses.
  • Meshless computer codes manuals, developed at LVP, UNG and LSMP, IMT.
  • Načini ocenjevanja

    Domače naloge. Seminarska naloga z ustnim zagovorom, kjer se preveri zmožnost izdelave numeričnega modela tehničnega problema. Pisni izpit, kjer se ocenjuje znanje temeljnih konceptov ter zmožnost samostojnega reševanja na podlagi razvitih računalniških programov.

    Reference nosilca

    Prof. dr. Božidar Šarler je redni profesor za znanosti in inženirstvo materialov in vodja Laboratorija ze vačfazne procese Univerze v Novi Gorici ter vodja Laboratorija za simulacijo materialov in procesov na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani. Njegove raziskave so usmerjene v večfizikalno in večnamensko modeliranje materialov in procesov in razvoj novih numeričnih metod, posebej za probleme strjevanja.

    Izbrane objave:

    LIU, Qingguo, ŠARLER, Božidar. Improved non-singular method of fundamental solutions for two-dimensional isotropic elasticity problems with elastic/rigid inclusions or voids. Eng. anal. bound. elem., 2016, vol. 68, str. 24-34, [COBISS.SI-ID 1197994]

    PERNE, Matija, ŠARLER, Božidar, GABROVŠEK, Franci. Calculating transport of water from a conduit to the porous matrix by boundary distributed source method. Eng. anal. bound. elem. 2012, vol. 36, no. 11, str. 1649-1659, [COBISS.SI-ID 2412539]

    GREŠOVNIK, Igor, KODELJA, Tadej, VERTNIK, Robert, SENČIČ, Bojan, KOVAČIČ, Miha, ŠARLER, Božidar. Application of artificial neural networks in design of steel production path. Computers, materials & continua, 2012, vol. 30, no. 1, str. 19-38. [COBISS.SI-ID 2601467]

    REUTHER, K., ŠARLER, Božidar, RETTENMAYR, Markus. Solving diffusion problems on an unstructured, amorphous grid by a meshless method. Int. j. therm. sci., 2012, vol. 51, str. 16-22, d [COBISS.SI-ID 1998331]

    VERTNIK, Robert, ŠARLER, Božidar. Local collocation approach for solving turbulent combined forced and natural convection problems. Adv. appl. math. mech., 2011, vol. 3, no. 3, str. 259-279. [COBISS.SI-ID 1781243]

    YAO, Guangming, ŠARLER, Božidar, CHEN, Ching-Shyang. A comparison of three explicit local meshless methods using radial basis functions. Eng. anal. bound. elem.. [Print ed.], 2011, vol. 35, issue 3, str. 600-609, [COBISS.SI-ID 1541371]

    ISLAM, Siraj-ul-, ŠARLER, Božidar, AZIZ, Imran, HAQ, Fazal-i-. Haar wavelet collocation method for the numerical solution of boundary layer fluid flow problems. Int. j. therm. sci., 2011, vol. 50, no. 5, str. 686-697, [COBISS.SI-ID 1740027]