本文原刊登于Ansys.com：《Ansys and Schr?dinger Partner to Enable Multiscale Simulation》

作者：Adarsh Chaurasia | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師

編輯整理：鄭偉巍 | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師

通過納米、微觀和宏觀尺度的仿真，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以將設(shè)計(jì)優(yōu)化提升到全新水平

隨著產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)（包括對更高可持續(xù)性的需求），人們對材料重要性的認(rèn)知也在不斷提高。從可再生能源電網(wǎng)到綠色交通，我們面臨的大量最緊迫的工程挑戰(zhàn)都倚賴于發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造正確的材料。

過去，材料發(fā)現(xiàn)、材料生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品工程團(tuán)隊(duì)很大程度上都是獨(dú)立運(yùn)作的，在自上而下的產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)型材料需求和自下而上的材料選擇過程中，他們相互之間僅進(jìn)行少量的知識(shí)交流。這種脫節(jié)的情況，一直是將新材料引入商業(yè)產(chǎn)品的一大關(guān)鍵限制因素。

包括NASA在內(nèi)的領(lǐng)先科研機(jī)構(gòu)早就認(rèn)識(shí)到，要加速新興工程技術(shù)的發(fā)展，就需要將快速材料發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品開發(fā)過程緊密結(jié)合起來。原則上，這將要求工程界從目前在材料與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的分散的、物理試驗(yàn)為主導(dǎo)的方法，轉(zhuǎn)向高度依賴數(shù)值分析平臺(tái)的、更集成化的方法。

而實(shí)現(xiàn)這一愿景的途徑簡稱集成計(jì)算材料工程（ICME）。ICME涵蓋了實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)型所需的廣泛解決方案和產(chǎn)品。具體而言，其需要通過不同尺度的計(jì)算力學(xué)求解器，來了解材料成分和結(jié)構(gòu)屬性關(guān)系如何影響其在不同工作條件下的物理屬性和產(chǎn)品響應(yīng)。此外，還有機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等新技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素，其可助力數(shù)據(jù)分析構(gòu)建數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)與屬性的關(guān)系。

更廣泛地說，從預(yù)測材料行為的數(shù)值求解器到預(yù)測物理產(chǎn)品響應(yīng)的求解器，都需要實(shí)現(xiàn)集成化的項(xiàng)目統(tǒng)籌。鑒于材料種類繁多且工況復(fù)雜，材料數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對于大型組織和行業(yè)/學(xué)術(shù)聯(lián)盟而言至關(guān)重要。在用于物理系統(tǒng)中材料性能的虛擬驗(yàn)證與確認(rèn)所需的平臺(tái)和解決方案方面，所有新興需求都需要行業(yè)、學(xué)術(shù)界和國家實(shí)驗(yàn)室之間的廣泛合作。

基于這一將ICME作為主要驅(qū)動(dòng)因素的愿景，Schr?dinger和Ansys建立了合作伙伴關(guān)系，以應(yīng)對材料至系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。三十多年來，Schr?dinger一直在為預(yù)測性材料發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化及材料分析提供解決方案。組合后的產(chǎn)品組合與集成，將推動(dòng)ICME愿景在新一代電池、消費(fèi)類產(chǎn)品、電子產(chǎn)品以及交通運(yùn)輸?shù)雀骷夹g(shù)領(lǐng)域更快落地。對于行業(yè)而言，這一合作將有可能帶來諸多變革性成果，包括可持續(xù)材料驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品、對大量不同材料進(jìn)行篩選、預(yù)測材料在使用條件下的性能，以及材料至產(chǎn)品的循環(huán)等。

作為此次共同合作價(jià)值的初步展示，Ansys和Schr?dinger針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)測性能開發(fā)了一款解決方案，廣泛應(yīng)用于航空航天與國防、汽車以及能源公司。該研究展示了聚合物樹脂在不同條件下的預(yù)測性材料篩選和選擇。樹脂屬性通過分層多尺度建模框架，向上傳遞至鋪層層級(jí)屬性，同時(shí)進(jìn)一步了解工藝引起的材料性能波動(dòng)，以及關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)與屬性關(guān)系。最終，鋪層層級(jí)屬性被尺度傳遞到復(fù)合材料層合板屬性，并應(yīng)用于目標(biāo)物理系統(tǒng)。