Pazartesi, Şubat 26, 2024
Ana Sayfa Fizik Hesaplamalı sistem, akışkan cihazların tasarımını kolaylaştırıyor

Hesaplamalı sistem, akışkan cihazların tasarımını kolaylaştırıyor

Hesaplamalı sistem, akışkan cihazların tasarımını kolaylaştırıyor
Hesaplamalı sistem, akışkan cihazların tasarımını kolaylaştırıyor

Yanmalı motorlar, pervaneler ve hidrolik pompalar, güç üretmek veya su taşımak gibi belirli işlevleri yerine getirmek için sıvıları kullanan aletler olan akışkan cihazların örnekleridir.

Akışkan cihazlar çok karmaşık olduğundan, genellikle pahalı, zaman alıcı ve emek yoğun yinelemeli bir süreçle her aparatı manuel olarak tasarlayan, prototipleyen ve test eden deneyimli mühendisler tarafından geliştirilirler.

Ancak yeni bir sistemde, kullanıcının yalnızca sıvının cihaza girip çıktığı konumları ve hızları belirtmesi yeterlidir – hesaplamalı boru hattı daha sonra otomatik olarak bu hedeflere ulaşan en uygun tasarımı oluşturur.

Sistem, birkaç damla kandan hastalığı teşhis edebilen çip üzerinde mikroakışkan laboratuvarlar veya nakil hastalarının hayatını kurtarabilecek yapay kalpler gibi her türlü uygulama için akışkan cihazlar tasarlamayı daha hızlı ve daha ucuz hale getirebilir.

Son zamanlarda, manuel tasarım sürecini basitleştirmek için hesaplama araçları geliştirildi, ancak bu tekniklerin sınırlamaları vardı. Bazıları, cihazın şeklini önceden belirlemek için bir tasarımcıya ihtiyaç duyarken, diğerleri, voksel olarak bilinen ve kutu gibi, etkisiz tasarımlarla sonuçlanan 3B küpler kullanan şekilleri temsil ediyordu.

MIT ve başka yerlerden araştırmacılar tarafından geliştirilen hesaplama tekniği bu tuzakların üstesinden geliyor. Tasarım optimizasyon çerçeveleri, kullanıcının bir cihazın nasıl görünmesi gerektiği konusunda varsayımlarda bulunmasını gerektirmez.

Ve cihazın şekli, optimizasyon sırasında bloklu yerine düzgün, kesin olmayan sınırlarla otomatik olarak gelişir. Bu, sistemlerinin diğer yöntemlerden daha karmaşık şekiller oluşturmasını sağlar.

“Artık tüm bu adımları hesaplamalı bir ardışık düzende sorunsuz bir şekilde gerçekleştirebilirsiniz. Ayrıca, sistemimizle potansiyel olarak daha iyi cihazlar oluşturabilirsiniz çünkü manuel yöntemlerle daha önce hiç araştırılmamış yeni tasarımlar keşfedebilirsiniz.

Belki daha önce denenmemiş bazı şekiller vardır. Henüz uzmanlar tarafından keşfedilmedi,” diyor bu sistemi detaylandıran bir makalenin baş yazarı olan elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimleri yüksek lisans öğrencisi Yifei Li.

Ortak yazarlar arasında Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı’nda (CSAIL) eski bir postdoc olan ve şu anda Tsinghua Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Tao Du; ve CSAIL bünyesindeki Hesaplamalı Tasarım ve İmalat Grubuna liderlik eden elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi profesörü kıdemli yazar Wojciech Matusik; Madison’daki Wisconsin Üniversitesi, LightSpeed ​​Studios ve Dartmouth College’daki diğerlerinin yanı sıra.

Akışkan bir cihazı şekillendirmek

Araştırmacıların optimizasyon boru hattı, küçük küplerden oluşan bir ızgaraya bölünmüş boş, üç boyutlu bir bölgeyle başlar. Bu 3B küplerin veya voksellerin her biri, akışkan bir cihazın şeklinin bir parçasını oluşturmak için kullanılabilir.

Sistemlerini diğer optimizasyon yöntemlerinden ayıran bir şey, bu minik vokselleri nasıl temsil ettiği veya “parametreleştirdiği”dir. Vokseller, kendilerine uygulanan kuvvetin yönüne bağlı olarak farklı tepkiler veren malzemeler olan anizotropik malzemeler olarak parametrelendirilir. Örneğin, ahşap damara dik olarak uygulanan kuvvetlere karşı çok daha zayıftır.

Bu anizotropik malzeme modelini, vokselleri tamamen katı (cihazın dışında bulunacağı gibi), tamamen sıvı (cihazın içindeki sıvı) ve katı-sıvı arayüzünde bulunan vokseller gibi özelliklere sahip olarak parametreleştirmek için kullanırlar. hem katı hem de sıvı malzeme.

“Katı yönde giderken, katıların malzeme özelliklerini modellemek istiyorsunuz. Ancak sıvı yönünde giderken, sıvıların davranışını modellemek istiyorsunuz.

Bu, anizotropik malzemeleri temsil etmek için kullanmamıza ilham verdi. katı-sıvı arayüzü ve bu bölgenin davranışını çok doğru bir şekilde modellememizi sağlıyor,” diye açıklıyor Li.

Hesaplamalı ardışık düzenleri de vokseller hakkında farklı düşünüyor. Sistem, yalnızca 3B yapı taşları olarak vokselleri kullanmak yerine, her bir vokselin yüzeyini açılandırabilir ve şeklini çok hassas şekillerde değiştirebilir. Vokseller daha sonra karmaşık tasarımları mümkün kılan pürüzsüz eğriler halinde oluşturulabilir.

Sistemleri vokseller kullanarak bir şekil oluşturduktan sonra, sıvının bu tasarım boyunca nasıl aktığını simüle eder ve bunu kullanıcı tanımlı hedeflerle karşılaştırır. Ardından, hedefleri daha iyi karşılamak için tasarımı ayarlar ve en uygun şekli bulana kadar bu modeli tekrarlar.

Elindeki bu tasarımla, kullanıcı cihazı üretmek için 3D baskı teknolojisini kullanabilir.

Gösterilen tasarımlar

Araştırmacılar bu tasarım ardışık düzenini oluşturduktan sonra, onu parametrik optimizasyon çerçeveleri olarak bilinen son teknoloji yöntemlerle test ettiler. Bu çerçeveler, tasarımcıların cihazın şeklinin ne olması gerektiğini düşündüklerini önceden belirtmelerini gerektirir.

Li, “Bu varsayımı yaptığınızda, elde edeceğiniz tek şey, bir şekil ailesi içindeki şeklin varyasyonlarıdır” diyor. “Ancak çerçevemiz böyle varsayımlarda bulunmanıza ihtiyaç duymuyor çünkü bu alanı her biri şeklini değiştirebilen çok sayıda küçük voksel ile temsil ederek çok yüksek bir tasarım serbestlik derecesine sahibiz.”

Her testte, çerçeveleri, bir uzmanın önceden belirtemeyeceği kadar karmaşık olabilecek karmaşık yapılarla düzgün şekiller oluşturarak temel çizgilerden daha iyi performans gösterdi.

Örneğin, sıvıyı bir büyük girişten 16 küçük çıkışa aktarırken, cihazın ortasındaki bir engeli atlayan ağaç şeklinde bir akışkan difüzörü otomatik olarak oluşturdu.

Boru hattı ayrıca, dönen bir sıvı akışı oluşturmak için pervane şeklinde bir cihaz üretti. Bu karmaşık şekle ulaşmak için, sistemleri otomatik olarak yaklaşık 4 milyon değişkeni optimize etti.

“Ardışık hattımızın bu akışkan bükücü için pervane şeklindeki bir cihazı otomatik olarak geliştirebildiğini görmek beni gerçekten çok memnun etti. Bu şekil, yüksek performanslı bir cihazı çalıştırır. Eğer bu hedefi bir parametrik şekil çerçevesiyle modelliyorsanız, çünkü o olamaz. Böylesine karmaşık bir şekle dönüştüğünde, nihai cihaz aynı performansı göstermeyecektir” diyor.

Li, otomatik olarak oluşturabileceği çeşitli şekillerden etkilenmiş olsa da, daha karmaşık bir sıvı simülasyon modeli kullanarak sistemi geliştirmeyi planlıyor. Bu, boru hattının daha karmaşık akış ortamlarında kullanılmasını sağlayacak ve bu da daha karmaşık uygulamalarda kullanılmasına izin verecektir.


Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından desteklenmiştir.

BENZER KONULAR

Ultra Hızlı Elektron Dinamiğinde Atılımlar

İsveçli-Alman bir ekip tarafından yapılan çığır açıcı bir çalışma, ultra hızlı elektron dinamiklerini benzersiz bir hassasiyetle takip ederek nanomateryal ve güneş pili araştırmalarında yeni...

Yeni Lazer Güçlendirmeyle 10 Petawatt Sınırı Kırılıyor

Kiremitli titanyum: safir lazer amplifikasyonu, güçlü alan lazer fiziği için ultra yoğun ultra kısa lazerlerin deneysel kapasitesini geliştirmeyi vaat ediyor. Ultra yoğun ultra kısa...

Bilim İnsanları Klasik Fiziğin Ötesinde Manyetik Uçmanın Gizemini Çözüyor

Danimarka Teknik Üniversitesi'nden (DTU) bilim adamları, yeni keşfedilen mıknatıs havaya yükselme olgusunun altında yatan fiziğini doğruladılar. 2021 yılında Türkiye'den bir bilim insanı, bir motora mıknatıs...
- Advertisment -

Son Eklenenler

X-Işını Astronomisinde Paradigma Değişimi

- Advertisement - 9 Ocak 2024’te fırlatılan Einstein Sondası, ESA ve MPE’nin katkılarıyla Çin Bilimler Akademisi liderliğindeki bir ortak girişimdir. Amacı, kozmik olaylardan kaynaklanan X-ışını...

Gücün Sınırlarına Meydan Okuyan Lazer Yapımı Metaller

- Advertisement - Lazer bazlı katmanlı üretim yoluyla üretilen yenilikçi yüksek entropili alaşımlar, endüstriyel uygulamalar için benzeri görülmemiş bir güç ve esneklik sunar. Gelişmiş tekniklerle...

Hücresel atık yönetimi ve yaşlanmada otofaji genlerinin yeni rolleri

Yaşla birlikte azalan otofaji, araştırmacıların daha önce şüphelendiğinden daha fazla gizemi barındırıyor olabilir. Buck Enstitüsü, Sanford Burnham Prebys ve Rutgers Üniversitesi'nden bilim adamlarının, yanlış...

Antibiyotik Direnci Araştırmalarında Oyunun Kurallarını Değiştirecek Bir Şey

Antibiyotiğe dirençli bakterilerle mücadeledeki potansiyeli nedeniyle incelenen bir bakteriyofaj olan φX174, alternatif antibiyotiklerin geliştirilmesine yönelik yeni bilgiler sunuyor. yaşında COVID-19kelime "virüs” bulaşma, hastalık ve hatta...