就像乐高积木或意大利面条一样，复合材料建模与规模、成分和 将正确的块组装在一起。
当然，它们是混合隐喻 - 但正如建模是对现实世界的精密估计一样 过程，对这种微妙算术的口头解释也是如此。特丽莎·赛恩，机械工程助理教授，通过思考探索多尺度物理 关于她客厅里的乐高积木、摩天大楼的窗户和烹饪 盛宴。
在我们沥干面条之前，让我们为复合材料的研究打下一些基础 材料。复合材料由多种材料制成，结合了不同的机械性能 和化学性质，理想情况下，这种微观结构组合是双赢的 最大化所需的属性。但组合会产生更多复杂性，.
关于研究人员
特丽莎·赛恩
tsain@mtu.edu
906-487-2977
研究兴趣
- 聚合物和聚合物复合材料老化的多尺度、多物理场建模
- 生理环境中金属植入物的降解
- 材料的断裂、损坏和冲击行为
- 新型多功能轻质高分子复合材料的分析、设计与测试
例如，Sain 的研究着眼于纤维增强聚合物复合材料 美国空军。这些材料必须能够承受潮湿、高温、寒冷甚至一些冲击波。 “这些材料可以应对如此极端的情况，”她说。 “问题是，就像所有 材料，它们会老化。.”
复合面食
这让我们回到了意大利面。赛恩说了解复合材料的行为 它们对风、雨、寒冷和其他环境因素的反应就像解开缠结一样 一碗意大利面条。聚合物是长碳链，缠绕并扭曲 周围很像煮熟的意大利面。虽然具体的化学和机械性能 复合材料的组成是众所周知的，Sain 想知道当面条相遇时会发生什么 酱汁：聚合物如何与空气或热等环境因素相互作用 他们的缺席。
而且，就像我们不点一盘“面条-西红柿-罗勒-牛至”一样 餐厅、现实世界中的复合材料并未通过其微观结构来使用或评估 成分。为了理解复合意大利面，塞恩从整体上研究了这道菜 — 在多种规模上测试每种材料并对整个设备进行原型设计。 为了模拟这些材料如何随着时间的推移而降解，她必须准备一整顿盛宴 计算——从聚合物链的面条到面板的板， 到整台机器的自助餐。
“因此，我们的目标是在每个尺度上捕捉正确的物理现象，并将 信息以一致的方式从一个长度尺度到另一个长度尺度，”塞恩说。做事 因此需要一种称为“即时”计算的数学同质化， 她解释道。 “我们可以顺利地从一个尺度过渡到另一个尺度？因为这不仅仅是不同 长度刻度；这是不同的物理过程，并且每个物理过程都可能发生 在不同的时间尺度上。”
复合材料建模架构
Sain 解释她的模型如何跨越多个尺度的另一种方式是考虑乐高 砖头。这些块以特定的方式组合在一起，有些比组合更好 其他取决于设计。
“但是，如果您尝试用乐高积木建造一整栋校园建筑，您将拥有 问题，”塞恩说。在更大的尺度上，物理和材料行为会发生变化。 在模型架构方面，即时均质化使模型的计算成为可能 从清点窗台，到观察窗户，再到计算 整面墙及其所有窗户。相比之下，更简单的离散模型 在窗台/窗户/墙壁计算之间使用硬边界。
“基本上，我们的目标不是快速削减鳞片，而是持续不断地削减鳞片 遍历它们，”塞恩说。“我们正在研究一种统计机械系统方法 在聚合物长度尺度内——窗口长度尺度——但仍试图保持 请记住，我们计算的任何内容的统计和机械描述 必须适用于较大的长度——墙尺度。”
鳞片之间如此优雅的滑动，无论材料是面条、塑料、 玻璃板或纤维增强，使 Sain 能够预测和评估复合材料的降解 比传统实验更轻松、成本更低。
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