Чтобы понять, как зарождается трещина в металле, нужно учитывать процессы, происходящие на разных масштабах. На самом острие трещины происходит разрыв отдельных атомарных связей — процесс, который в свою очередь зависит от напряжений в большом объёме металла. Поэтому, чтобы корректно моделировать этот процесс, нужно рассчитать поведение сотен миллиардов атомов — как на острие трещины, так и в объёме. Для современных суперкомпьютеров эта задача пока остаётся непосильной.
Исследователи Центра искусственного интеллекта Сколтеха предложили решение, опубликованное в журнале Computer Physics Communications. Его суть заключается в том, чтобы отказаться от идеи моделировать весь процесс атом за атомом. Подход может найти применение при моделировании свойств материалов, для создания композитов с заданными механическими свойствами, прогнозирования ресурса деталей и узлов в машиностроении, а также при разработке компонентов с высокой устойчивостью к механическим нагрузкам в микроэлектронике.
«Мы разработали гибридный подход, в котором материал делится на две зоны. Там, где происходят определяющие процессы, например, в зоне контакта частиц или острия растущей трещины, сохраняется атомарное описание. Всё остальное пространство заполняется так называемыми квазиатомами — укрупнёнными частицами, которые могут быть в сотни и даже тысячи раз больше настоящих атомов. Квазиатомы ведут себя как единое целое и подчиняются тем же законам молекулярной динамики», — поделился один из авторов работы Артём Чупров, аспирант программы «Вычислительные системы и анализ данных в науке и технике».
Совместить атомарную точность и макроскопические масштабы позволили методы искусственного интеллекта. Разработанный алгоритм автоматически настраивает взаимодействие квазиатомов так, чтобы упругие свойства гибридной модели в точности повторяли эталонные параметры, полученные из полноатомного моделирования. «Необходимая точность — выше 99% — достигается за считанные минуты», — уточняет другой соавтор, Егор Нужин, старший инженер-исследователь центра.
Чтобы доказать работоспособность метода, авторы смоделировали столкновение микрочастиц радиусом доли микрометра — задача для обычных вычислений на грани возможного. В качестве тестовых материалов взяли медь и кремний. Расчёты показали, что предсказания теории сплошной среды, без учёта атомарной структуры контакта, нуждаются в поправках.
«Метод открывает новые возможности для моделирования трения, разрушения и других процессов, где нужно одновременно видеть и атомный механизм, и общую картину. В планах — расширить метод на новые материалы и научить его подбирать параметры не только для упругости, но и для вязкости, теплопроводности и других свойств. Метод также может быть использован и для обратной инженерии — подбора атомарной структуры для получения нужных свойств материалов на макроуровне», — добавил руководитель проекта Николай Бриллиантов, профессор и руководитель группы «Многомасштабное моделирование и нейроморфные вычисления» в Центре искусственного интеллекта Сколтеха.
