مهندسی مواد محاسباتی یکپارچه

**مهندسی مواد محاسباتی یکپارچه** (ICME) رویکردی برای طراحی محصولات، موادی که آنها را تشکیل می‌دهند و روش‌های پردازش مواد مرتبط با آنها با پیوند دادن مدل‌های مواد در مقیاس‌های طولی متعدد است. کلمات کلیدی عبارتند از "یکپارچه"، که شامل ادغام مدل‌ها در مقیاس‌های طولی متعدد است، و " مهندسی "، که به کاربرد صنعتی اشاره دارد. تمرکز بر روی مواد است، یعنی درک چگونگی تولید ساختار مواد توسط فرآیندها، چگونگی ایجاد خواص مواد توسط این ساختارها، و نحوه انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص. پیوندهای کلیدی عبارتند از فرآیند-ساختار-خواص-عملکرد.  گزارش آکادمی‌های ملی نیاز به استفاده از مدل‌سازی مواد چندمقیاسی  را برای ثبت فرآیند-ساختار-خواص-عملکرد یک ماده شرح می‌دهد.

## استانداردسازی در ICME
یک الزام اساسی برای دستیابی به هدف بلندپروازانه ICME در طراحی مواد برای محصولات خاص (به عنوان مثال قطعات)، توصیف محاسباتی یکپارچه و بین رشته‌ای از تاریخچه قطعه است که از شرایط اولیه صحیح یک فاز مذاب همگن، ایزوتروپیک و بدون تنش (به عنوان مثال فاز گاز) شروع می‌شود و از طریق مراحل پردازش بعدی ادامه می‌یابد و در نهایت به توصیف شروع شکست تحت بار عملیاتی ختم می‌شود. 

مهندسی مواد کامپیوتری یک رویکرد برای طراحی محصولات، مواد تشکیل دهنده آنها و روش های پردازش مواد مرتبط با آنها با پیوند مدل های مواد در مقیاس های طولانی متعدد است. بنابراین، ICME به طور طبیعی نیاز به ترکیب انواع مدل ها و ابزارهای نرم افزاری دارد. بنابراین هدف مشترک ایجاد یک شبکه علمی از ذینفعان است که بر افزایش ICME به کاربرد صنعتی با تعریف یک استاندارد ارتباطی مشترک برای ابزارهای مربوط به ICME متمرکز است.

## استانداردسازی تبادل اطلاعات
بندانگشتی|نمودار مفهومی پروژه ICMEg
تلاش‌ها برای ایجاد یک زبان مشترک با استانداردسازی و تعمیم فرمت‌های داده برای تبادل نتایج شبیه‌سازی، گامی اساسی و الزامی به سوی کاربردهای موفق ICME در آینده است. یک چارچوب ساختاری و آینده‌نگر برای ICME که شامل انواع ابزارهای شبیه‌سازی دانشگاهی و/یا تجاری باشد که در مقیاس‌های مختلف عمل می‌کنند و به صورت ماژولار و با یک زبان مشترک به شکل تبادل داده‌های استاندارد به هم متصل هستند، امکان ادغام رشته‌های مختلف در طول زنجیره تولید را فراهم می‌کند، رشته‌هایی که تاکنون به ندرت با هم تعامل داشته‌اند. این امر با ادغام تاریخچه اجزا که از مراحل قبلی سرچشمه می‌گیرد، به عنوان شرط اولیه برای فرآیند واقعی، درک فرآیندهای منفرد را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. در نهایت، این امر منجر به سناریوهای بهینه فرآیند و تولید خواهد شد و امکان تنظیم مؤثر مواد خاص و خواص اجزا را فراهم می‌کند. 

## پروژه ICMEg و ماموریت آن
پروژه ICMEg  با هدف ایجاد یک شبکه علمی از ذینفعان با تمرکز بر ارتقای ICME به سمت کاربردهای صنعتی، با تعریف یک استاندارد ارتباطی مشترک برای ابزارهای مرتبط با ICME انجام می‌شود. در نهایت، این امر به ذینفعان از جوامع الکترونیکی، اتمی، مزوسکوپی و پیوسته اجازه می‌دهد تا از به اشتراک گذاشتن دانش و بهترین شیوه‌ها بهره‌مند شوند و در نتیجه درک عمیق‌تری بین جوامع مختلف دانشمندان مواد، مهندسان فناوری اطلاعات و کاربران صنعتی ایجاد شود.

ICMEg یک شبکه بین‌المللی از ارائه‌دهندگان و کاربران شبیه‌سازی ایجاد خواهد کرد.  این امر درک عمیق‌تری را بین جوامع مختلف (دانشگاه و صنعت) که هر یک از آنها اکنون از ابزارها/روش‌ها و قالب‌های داده بسیار متفاوتی استفاده می‌کنند، ارتقا خواهد داد. هماهنگ‌سازی و استانداردسازی تبادل اطلاعات در طول چرخه عمر یک جزء و در مقیاس‌های مختلف (الکترونیکی، اتمی، مزوسکوپی، پیوسته) فعالیت کلیدی ICMEg است.

ماموریت ICMEg عبارت است از:

* ایجاد و حفظ شبکه‌ای از ارتباطات با ارائه‌دهندگان نرم‌افزار شبیه‌سازی، مراجع استانداردسازی دولتی و بین‌المللی، کاربران ICME، انجمن‌های حوزه مواد و پردازش و دانشگاه‌ها
* تعریف و ابلاغ یک زبان ICME در قالب یک پروتکل ارتباطی باز و استاندارد
* برای تحریک اشتراک‌گذاری دانش در زمینه طراحی مواد چندمقیاسی
* شناسایی ابزارها، مدل‌ها و قابلیت‌های از دست رفته و ارائه نقشه راه برای توسعه آنها
* برای بحث و تصمیم‌گیری در مورد اصلاحات آینده استاندارد اولیه

فعالیت‌های ICMEg شامل موارد زیر است:

* برگزاری کارگاه‌های بین‌المللی در زمینه راهکارهای نرم‌افزاری برای مهندسی مواد محاسباتی یکپارچه 
* انجام مطالعه بازار و بررسی نرم‌افزارهای شبیه‌سازی موجود برای ICME 
* ایجاد و نگهداری انجمن برای اشتراک دانش در ICME 

پروژه ICMEg در اکتبر ۲۰۱۶ به پایان رسید. نتایج اصلی آن عبارتند از:

* کتابچه راهنمای راهکارهای نرم‌افزاری برای ICME 
* شناسایی HDF5 به عنوان یک استاندارد فایل ارتباطی مناسب برای تبادل اطلاعات ریزساختار در تنظیمات ICME 
* مشخصات توصیف فراداده برای ریزساختارها 
* شبکه‌ای از ذینفعان در حوزه ICME

بیشتر فعالیت‌هایی که در پروژه ICMEg آغاز شده‌اند، توسط شورای مدل‌سازی مواد اروپایی ادامه می‌یابند.  و در پروژه MarketPlace

## مدل‌سازی چندمقیاسی در پردازش مواد
بندانگشتی|نمونه‌ای از ساختارهای اتمی و شماتیک
مدل‌سازی چندمقیاسی با هدف ارزیابی خواص یا رفتار مواد در یک سطح با استفاده از اطلاعات یا مدل‌هایی از سطوح و خواص مختلف فرآیندهای ابتدایی انجام می‌شود. معمولاً سطوح زیر که به یک پدیده در یک بازه زمانی و طولی خاص می‌پردازند، شناخته می‌شوند:

* مقیاس ساختاری: عنصر محدود حجم محدود و معادله فرقی جزئی تفاوت محدود حل کننده هایی هستند که برای شبیه سازی پاسخ های ساختاری مانند مکانیک جامد و پدیده های حمل و نقل در مقیاس های بزرگ (متری) استفاده می شوند. مدل سازی/سیمیلاسیون فرآیند: اخراج، رول، شکل دادن ورق، پر کردن، ریختن، جوش و غیره مدل سازی/سیملاسیون محصول: عملکرد، برخورد، خستگی، خوردگی و غیره
** مدل سازی/سیمیلاسیون فرآیند: اخراج، رول، شکل دادن به ورق، پر کردن، ریختن، جوش و غیره
** مدل سازی/ شبیه سازی محصول: عملکرد، برخورد، خستگی، خوردگی و غیره
* ماکرو مقیاس: معادلات تشکیل دهنده (ریولوژی) در سطح مداوم در مکانیک جامد و پدیده های حمل و نقل در مقیاس میلی متر استفاده می شود.
* مقیاس میسو: فرمول های سطح مداوم با مقادیر متمایز در مقیاس های چند میکرو متری استفاده می شود. "مزو" یک اصطلاح مبهم است که به معنای "متوسط" است بنابراین به عنوان نشان دهنده مقیاس های مختلف استفاده شده است. در این زمینه، می تواند مدل سازی از پلاستیکی کریستال برای فلزات، راه حل های Eshelby برای هر نوع مواد، روش های همگماه سازی و روش های سلول واحد را نشان دهد.
* مقیاس کوچک: تکنیک های مدل سازی که مقیاس میکرو متری را نشان می دهند، مانند کد دینامیک انحلال برای فلزات و مدل های میدان فاز برای مواد چندفاز. مدل های فیز میدان انتقال فیز و تشکیل و تکامل میکرو ساختار در مقیاس نانومتر تا میلی متر.
* مقیاس نانویی: روش های نیمه تجربی آتومیستی مانند لینارد جونز، پتانسیل برنر، پتانسل های روش اتمی داخلی (EAM) و پتانسیل های اتمی داخلی اصلاح شده (MEAM) در دینامیک مولکولی (MD) ، استاتیک مولکولیک (MS) ، مونت کارلو (MC) و فرمول های مونت کارلوی حرکتی (KMC) استفاده می شود.
* مقیاس الکترونیکی: معادلات شرویدنجر در چارچوب محاسباتی به عنوان مدل های تئوری عملکردی چگالی (DFT) مدارهای الکترون و پیوند در آنگستروم به مقیاس نانومتر استفاده می شوند.

برخی از کدهای نرم‌افزاری وجود دارند که در مقیاس‌های طولی مختلف عمل می‌کنند، مانند:

* ترمودینامیک کامپیوتری کلفاد برای پیش بینی نمودار های فاز تعادل و حتی فاز های غیر تعادل.
* کد های میدان مرحله ای برای شبیه سازی تکامل میکرو ساختار
* پایگاه داده ها پارامترهای پردازش، ویژگی های میکرو ساختار و خواص که می توان از آنها در مقیاس های طول مختلف ارتباط برقرار کرد
* جیو دیکت - آزمایشگاه مواد دیجیتال توسط Math2Marketریاضی2بازار
* VPS-MICRO یک نرم افزار فرکانس شکاف احتمالی چند مقیاس است.
* SwiftComp یک نرم افزار مدل سازی تشکیل دهنده چند مقیاس است که بر اساس مکانیک ژنوم ساختار است.
* دیجیمات یک سیستم عامل مدل سازی مواد چند مقیاس است

مجموعه‌ای جامع از ابزارهای نرم‌افزاری مرتبط با ICME در کتابچه راهنمای راه‌حل‌های نرم‌افزاری برای ICME  مستند شده است.

## نمونه‌هایی از ادغام مدل
بندانگشتی|میکروساختار پرلیت در فولاد

* مدل های مقیاس کوچک خواص مواد یا روابط بین خواص و پارامترها، مانند قدرت در برابر دمای را برای استفاده در مدل های مداوم محاسبه می کنند.
* نرم افزار ترمودینامیک کامپیوتری کلفاد انرژی آزاد را به عنوان یک تابع ترکیب پیش بینی می کند؛ یک مدل میدان فاز سپس از این برای پیش بینی تشکیل و توسعه ساختار استفاده می کند، که پس از آن می توان با خواص ارتباط برقرار کرد.
* بندانگشتی|میکروساختار چدن نشکن آستمپر شده (ADI)یک ماده ضروری برای مدل سازی تکامل میکرو ساختار با مدل های زمینه فاز و سایر کد های تکامل میکرو ساختاری شرایط اولیه و مرزی هستند. در حالی که شرایط مرزی می تواند از مثال شبیه سازی فرآیند واقعی گرفته شود، شرایط اولیه (یعنی میکرو ساختار اولیه که وارد مرحله فرآیند واقعی می شود) شامل کل تاریخچه فرآیند یکپارچه از محل ذوب شدن همگما، ایزوترپی و بدون استرس است. بنابراین - برای یک ICME موفق - تبادل مؤثر اطلاعات در سراسر زنجیره فرآیند و در تمام مقیاس های طول مرتبط ضروری است. مدل هایی که برای این منظور ترکیب می شوند شامل ابزار مدل سازی علمی و/یا تجاری و بسته های نرم افزار شبیه سازی می شوند. برای ساده سازی جریان اطلاعات در این انواع متنوعی از ابزارهای مدل سازی، مفهوم یک پلت فرم شبیه سازی ماژولار و استاندارد اخیرا پیشنهاد شده است.  اولین تحقق این مفهوم ''AixViPMaP®'' - پلت فرم مجازی آکان برای پردازش مواد است.
* مدل های فرآیند توزیع فضایی ویژگی های ساختار را محاسبه می کنند، به عنوان مثال تراکم فیبر و جهت گیری در یک مواد ترکیبی مدل های مقیاس کوچک سپس روابط بین ساختار و خواص را محاسبه می کند، برای استفاده در یک مدل مداوم از رفتار کل بخش یا سیستم
* مدل های مقیاس بزرگ به طور صریح به طور کامل با مدل های مقیاس کوچک ترکیب می شوند، به عنوان مثال شبیه سازی شکاف ممکن است یک مدل مکانیک جامد مداوم از تشریفات ماکروسکپی با مدل FD از حرکات اتمی در نوک شکاف را ادغام کند
* مجموعه ای از مدل ها (در مقیاس بزرگ، مقیاس کوچک، مقیاس اتمی، ساختار فرآیند، ویژگی های ساختار و غیره) می توانند به صورت سلسله مراتبی در یک چارچوب طراحی سیستم به منظور امکان طراحی محاسباتی مواد کاملا جدید ادغام شوند. یک رهبر تجاری در استفاده از ICME در طراحی مواد محاسباتی QuesTek Innovations LLC است، یک کسب و کار کوچک در Evanston، IL که توسط  گرگ اولسون از دانشگاه شمال غربی تاسیس شد. فولاد های ''Ferrium®'' با عملکرد بالا QuesTek با استفاده از روش های ICME طراحی و توسعه یافته اند.
* مدل پلاستیکیتی-نقصان متغیر داخلی ایالت (ISV) دانشگاه ایالت میسیسیپی (DMG)  که توسط تیم رهبری توسط  مارک اف هورستیمیر (مؤسس فناوری های طراحی پیش بینی) توسعه یافته است ، برای بهینه سازی طراحی یک بازوی کنترل کادیلاک ،  مهره موتور کورویت ،  و یک پوستر موتور از فلز فولاد استفاده شده است. 
* گروه ESI از طریق ProCast و SYSWeld خود راه حل های قطعی محدود تجاری هستند که توسط تولید کنندگان عمده در هوافضا، خودرو و سازمان های دولتی برای شبیه سازی تغییرات فاز مواد محلی فلزات قبل از تولید در محیط های تولید استفاده می شود. PAMFORM برای ردیابی تغییرات مواد در طول شبیه سازی ساخت ساخت ترکیبات استفاده می شود.

## آموزش
کاتسویو تورتون در جلسه کمیته فنی ICME MS&T در سال 2010 اعلام کرد که NSF از سال 2011 شروع به بودجه یک "مدرسه تابستانی" در ICME در دانشگاه میشیگان خواهد کرد. شمال غربی در پاییز سال 2011 شروع به ارائه مدرک کارشناسی ارشد در ICME کرد. اولین دوره مهندسی مواد کامپیوتری یکپارچه (ICME) بر اساس Horstemeyer 2012  در دانشگاه ایالتی مسیسیپی (MSU) در سال 2012 به عنوان یک دوره تحصیلات تکمیلی با دانشجویان آموزش از راه دور ارائه شد [بخش، Sukhija و همکاران، 2013]. بعداً در سال های 2013 و 2014 در MSU نیز با دانشجویان آموزش از راه دور تدریس شد. در سال 2015، دوره ICME توسط دکتر مارک هورستمیئر (MSU) و دکتر ویلیام (بیل) شلتون (جامعة ایالتی لوئیزیانا، LSU) با دانشجویان از هر موسسه از طریق آموزش از راه دور تدریس شد. هدف از روش مورد استفاده در این دوره این بود که دانش آموزان را با مهارت های اساسی برای بهره برداری از ابزارهای محاسباتی و داده های تجربی ارائه شده توسط EVOCD در انجام شبیه سازی ها و روش های پل برای تعیین میزان روابط ساختار و ملکیت مواد در مقیاس های طول چند مورد فراهم کند. پس از تکمیل موفقیت آمیز پروژه های اختصاص داده شده، دانش آموزان نتایج یادگیری مدل سازی چند مقیاس خود را در ویکی ICME منتشر کردند، که ارزیابی آسان دستاوردهای دانش آموزان را تسهیل می کند و ویژگی های تعیین شده توسط هیئت اعتبار مهندسی ABET را در اختیار می گیرد.

## جستارهای وابسته

* زیرساخت‌های سایبری
* Materials informatics
* ICME cyberinfrastructure
* QuesTek Innovations
* علوم و مهندسی مواد محاسباتی

## منابع

* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 

* JOM November 2006 issue focused on ICME
* Committee on Integrated Computational Materials Engineering, National Research Council, *Integrated Computational Materials Engineering: A Transformational Discipline for Improved Competitiveness and National Security,* National Academies Press, 2008. ISBN&nbsp;<bdi>0-309-11999-5</bdi>, NAP Link
* G. Olson, Designing a New Material Word, Science, Vol. 288, May 12, 2000 
* Horstemeyer 2009: Horstemeyer M.F., "Multiscale Modeling: A Review," ''Practical Aspects of Computational Chemistry'', ed. J. Leszczynski and M.K. Shukla, Springer Science+Business Media, pp. 87-135, 2009


## پیوند به بیرون

* ICME section  of Materials Technology @ TMS
* [Advances in ICME Implementation: Concepts and Practices” in the May 2017 issue (vol. 69, no. 5) of JOM https://link.springer.com/journal/11837/69/5]
* Cyberinfrastructure for ICME at Mississippi State University
* GeoDict The Digital Material Laboratory
رده:علم مواد