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LSU Mathematician使用Ensight预测结构失败
2009年2月16日发表于2009年2月16日@ 01:27PM
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Application Kara L. Gray,
新地平线咨询

当明尼阿波利斯的I-35W桥在2007年8月1日杀死13个人的晚上高峰时段时,迷人的场景震惊了数百万人。汽车,半卡车,甚至是一辆校车,蹒跚地击到了大量的密西西比河,留下了很多人的想法,“可能发生在这里,我住的地方?”在随后的日子里,全国各地的驾驶者给桥梁仔细考虑了他们每天旅行的立交桥,之前从未获得第二次想法。虽然崩溃的具体原因仍未确定,但大多数专家都同意一些机械故障是责备。


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Blaise Bourdin是路易斯安那州立大学数学系的助理教授,是骨折力学,脆性材料的研究,并预测含有裂缝的结构的失效。 Bourdin说,I-35桥灾难是一个提醒人们尚未充分了解失败的机制。然而,他的工作可以让他们更接近预测,因此预防,潜在的灾难,就像在明尼阿波利斯杀死13人的那样。

裂缝建模
与G. Francfort合作 巴黎诺德大学,法国和J.J.马里戈at. UniversitéPierreet Marie Curie 在巴黎,Bourdin正在使用 救济 Eige Visualization软件由CEI,Inc。,APEX,NC开发一个创建3D数学模型的系统,该模型预测脆性材料等脆性的裂缝的潜在位置和路径。他是一种新的骨折力学方法,通过仿真和建模,允许他在发生之前预测失败。

“大多数古典骨折力学的方法假设您在解决问题之前了解解决方案,”Bourdin说。 “你认为你有一个先验的潜在裂缝知识,然后解决这些裂缝。”

BOURDIN的工作并不遵循这种假设。从所讨论的设备的数学数据开始,如汽缸,梁或其他施工,BOURDIN适用于建筑材料的知识,如何在压力和其他因素下表现,如温度和负载,以预测潜在的裂缝可能形成的地方。

“我们没有根据实验观察编写该计划,”Bourdin说。 “我们的结果来自基于运动方程的数学建模。从这一点我们派生了代表骨折的模型。“

在这种数值方法中,使用漫射界面模型近似裂缝。每个裂缝由在2D或3D域的每个节点上定义的平滑函数表示,通常在非结构化网格内。在域中的每个点处,裂缝由0到1之间的数字表示为0,裂缝为0,从裂缝进一步朝向1增加。使用这些数值模型,BOURDIN可以模拟裂缝的时间演变,包括分支和分裂,超过成千上万的时间步。

裂缝计算
模型导致大量数据,有时高达15 GB的一个模拟,BOURDIN依赖于 teragrid.,全国范围的超级计算网络,用于存储和操纵数据。这对他能够提供复杂模型的能力至关重要。

“Ensight允许我在不从服务器中删除的情况下可视化我的数据 - 我可以在德克萨斯州或伊利诺伊州或加利福尼亚州的LSU数据中想象出来,”Bourdin说。 “我不需要等到一切转移,我不必在本地存储它来查看它。”

裂缝繁殖

  裂缝繁殖

  裂缝繁殖
从模裂的穿孔域上的模式-I牵引模拟实验中的这些静止图像示出了从一个穿孔孔到下一个穿孔孔的裂缝繁殖。右侧透视孔右侧的浅蓝色表示随着域通过域传播的压力的进展。

他在Ensight中创建的可视化允许Bourdin验证他计算的几何体,并更好地理解和传达模型的数学属性。 BOURDIN使用 由Sandia National Laboratories开发,产生网格。在此过程中,他将通过将数据输出到Ensight来快速检查模型如何结合在一起来验证几何。然后,他使用Ensight来生成和分析结果。由于Ensight读取大多数网格文件格式,Bourdin能够从超级计算网络快速地端口数据,生成动画并与同事共享结果。

“我有一个非常视觉,几何心灵,”Bourdin说。 “Ensight帮助我了解我的方程,了解解决方案的一些属性,而不是只是盯着方程式。对于复杂的3D系统,Ensight允许我们提取解决方案的一些模式 - 走进它,旋转它,与之交互并放大和缩小。“

除了在数学数据上脱落,救济功能是否有机会加快研究过程。例如,查询功能可让他以交互方式跟踪解决方案的属性,而程序正在运行,而不是重新编译和重新运行每个变量的模拟。 BOURDIN可以测试各种场景,例如位移负载和材料属性,并显示结果 - 甚至没有真正存在的结果 - 全部来自他的桌面。他甚至写了自己的附加软件,执行批处理,令人难以置信的时间保护程序。

“对于一个项目来说,我不得不进行大约300个实验,并且能够在不必与每个人与每一个奴役互动的情况下想象所有这些结果,”Bourdin说。 “这将是不可能手动这样做的;我根本就不会做到这一点。“

除了软件的进行实验的全功能性能外,BOURDIN还表示奴役,以及欧洲贺可乏的自由伴侣,也允许他更好地向同事沟通复杂的解决方案。在最近的工程会议上,BOURDIN发现自己面临着一个装满工程师的房间,试图描述他的工作的一些属性,涉及以非零角相交的两个裂缝飞机。通过在奴役中产生的3D模型,他能够从多个观点来展示裂缝叶裂缝的演变。

防爆
BOURDIN承认,虽然他不会在近期解决I-35桥崩溃的情况下,他的工作是国家科学基金会的支持,在各种应用中具有重要影响,包括:

  • 建筑施工 - 表明:2004年Paris'Charles de Gaulle机场终端的崩溃被认为是结构失败的结果;
  • 基础设施安全 - 例如,胡佛大坝;和
  • 航空航天设计 - 每次考虑飞机的前起落架上的力,每次击中跑道,都是压力骨折的主要候选者。

“作为数学家,我对这种骨折模型很感兴趣,因为其数值实施所带来的挑战,”Bourdin说。 “当然,它还恰好是它是一个很好的机械模型,并且可以用来分析材料和系统的潜在声音。”

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