Στοιχεία Έργου

 

 

1	Τίτλος Έργου:	Ολοκληρωμένη διαδικτυακή πλατφόρμα νέφους για το σχεδιασμό και την προτυποποίηση υλικών και προϊόντων υψηλών επιδόσεων
2	Κωδικός Έργου:	Τ2ΕΔΚ-03206
3	Ακρωνύμιο Έργου:	MATERIALIZE
4	Ημερομηνία έναρξης:	1/07/2021
5	Διάρκεια σε μήνες:	27
6	Λέξεις-κλειδιά	Σύνθετα υλικά υψηλών επιδόσεων, Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων με πεπερασμένα στοιχεία, Στοχαστική αναλυση, βέλτιστος σχεδιασμός, Συστήματα υψηλής υπολογιστικής απόδοσης, Χαρακτηρισμός και σύνθεση σύθνθετων υλικών με νανοενίσχυση, Γραφένια και νανοσωλήνες Άνθρακα

Το Εργαστήριο Στατικής και Αντισεισμικών Ερευνών (ΕΣΑΕ-ISAAR) της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (http://www.civil.ntua.gr/laboratories/4/) αποτελείται από 6 μέλη ΔΕΠ και από ομάδα επιλεγμένων διδακτορικών και μέτα-διδακτορικών ερευνητών. Το ΕΣΑΕ έχει φέρει εις πέρας ποικίλες ερευνητικές δραστηριότητες σε επιστημονικές περιοχές που σχετίζονται με μεθόδους προσομοίωσης και ανάλυσης στη μηχανική. Τα μέλη ΔΕΠ έχουν την ικανότητα να αναλαμβάνουν επιστημονικές εργασίες στην αιχμή της σύγχρονης έρευνας στους ακόλουθους τομείς: Αριθμητική προσομοίωση για τη στατική και δυναμική ανάλυση μεγάλων και μη συμβατικών προβλημάτων σε συζευγμένα προβλήματα δομοστατικής υπολογιστικής μηχανικής, επαλήθευσης και επικύρωσης εμπορικού λογισμικού και στην ανάπτυξη και εφαρμογή αλγορίθμων και επιστημονικών υπολογιστικών κωδίκων για την επίλυση και το σχεδιασμό δομικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας καθώς και προηγμένων υλικών σε περιβάλλοντα υπολογιστών υψηλών επιδόσεων.

Κύριος στόχος του Materialize είναι η ανάπτυξη μιας διαδικτυακά προσβάσιμης πλατφόρμας λογισμικού, η οποία θα δίνει τη δυνατότητα ψηφιακής σύνθεσης και προτυποποίησης καινοτόμων υλικών για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η πλατφόρμα θα απλοποιήσει σημαντικά την πολύπλοκη διαδικασία σχεδιασμού νέων υλικών μέσω της ανάπτυξης ενός έξυπνου εργαλείου διεπαφής χρήστη σε φυλλομετρητή (web browser GUI). Μέσω του GUI, ο χρήστης θα καθοδηγείται στην αναζήτηση υφιστάμενων υλικών και συνδυασμών τους και στα βήματα που απαιτούνται για τη σύνθεση νέων υλικών με στοχευμένες ιδιότητες που θα ικανοποιούν συγκεκριμένες βιομηχανικές προδιαγραφές (Σχήμα 1). Το Materialize θα ενορχηστρώνει μία δεξαμενή από λογισμικά υπολογιστικής μηχανικής προσανατολισμένα στην ανάλυση και σχεδιασμό υλικών υψηλών επιδόσεων, θα διασυνδέεται με διεθνείς βάσεις δεδομένων υλικών και θα είναι διαθέσιμο στις δημοφιλείς πλατφόρμες Azure και AWS.

H πλατφόρμα Materialize θα αποτελείται από ένα κεντρικό άρθρωμα-ενορχηστρωτή (orchestrator) και επιμέρους περιφερειακά αρθρώματα στα οποία θα σχεδιάζονται και θα επιτελούνται οι αναγκαίες εργασίες με βάση τις προτεραιότητες που ορίζει ο χρήστης. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση του τελικού προϊόντος θα υποστηρίζεται από πρόταση για τη διαδικασία προτυποποίησης και παραγωγής του νέου υλικού και θα παρέχεται η υπηρεσία επαλήθευσης του προϊόντος, δηλαδή η κατασκευή πρωτότυπου συνοδευόμμενη από αναλυτικό χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων του (θερμικές, ηλεκτρικές, μηχανικές κλπ).

Η βάση πάνω στην οποία θα στηριχθεί η πλατφόρμα Materialize είναι ένα ολοκληρωμένο πακέτο προσομοίωσης υλικών, ικανό να αναπαραγάγει ρεαλιστικά ψηφιακά μοντέλα σύνθετων και μετα-υλικών σε πολλαπλά μήκη κλίμακας (π.χ. νάνο-, μίκρο-, μέσο-, μάκρο-). Αυτά τα εργαλεία θα επιτρέψουν την λεπτομερή πρόβλεψη της συμπεριφοράς και των επιδόσεων καινοτόμων συνθέσεων υλικών, μικροδομών από αυτά (π.χ. υφάσματα, κηρήθρες κ.λπ.) αλλά και μεγαλύτερης κλίμακας εφαρμογών τους (πχ δομικά στοιχεία), λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες των συστατικών τους, τις ιδιότητες της διεπιφάνειας μεταξύ εγκλεισμάτων και μητρικού υλικού και τις επιπτώσεις της διαδικασίας σύνθεσης στη συμπεριφορά τους.

Για το σκοπό αυτό θα αναβαθμιστεί και θα επεκταθεί το υπάρχον λογισμικό ανοιχτού κώδικα MSolve το οποίο έχει παραχθεί από το MGroup στο πλαίσιο συναφών ερευνητικών έργων. Το MSolve περιλαμβάνει ένα κεντρικό επιλύτη πεπερασμένων στοιχείων o οποίος συνεργάζεται με περιφερειακά εργαλεία βελτιστοποίησης, ανάλυσης και ποσοτικοποίησης αβεβαιοτήτων, εργαλεία μηχανικής μάθησης καθώς και υπολογιστικά εργαλεία υψηλών επιδόσεων (High Performance Computing (HPC)). Τα αναβαθμισμένα πακέτα λογισμικού της πλατφόρμας θα είναι exascale-aware, εγκολπούμενα από ένα σύνολο HPC εφαρμογών προσομοίωσης στο cloud. Μέσω της πλατφόρμας, τα μοντέλα συμπεριφοράς των υλικών θα ενσωματώνονται σε μοντέλα σχεδιασμού βιομηχανικών προϊόντων, εκτελώντας υπολογιστικές προσομοιώσεις πολλαπλών κλιμάκων σε ρεαλιστικό χρόνο και με μεγάλη ακρίβεια.

H εξειδικευμένη εφαρμογή GUI θα είναι εφοδιασμένη με κατάλληλους προ- και μετα-επεξεργαστές οι οποίοι θα περιγράφουν τη γεωμετρία και τις παραμέτρους της υπό εξέταση υλικής σύνθεσης, προσφέροντας ευκολία στη χρήση καθώς και μια ποιοτική και ποσοτική εποπτεία της συμπεριφοράς του μοντέλου του προϊόντος από το χρήτη. Οι προ- και μεταεπεξεργαστές θα υποστηριχθούν από εργαλεία ανάλυσης μεγάλων δεδομένων (Apache Spark, MBrace, κ.α.) τα οποία θα διευκολύνουν την άντληση πληροφοριών από τις βάσεις δεδομένων και θα μορφοποιούν τα νέα παραγόμενα πρότυπα ώστε αυτά να εναρμονίζονται με το λεξιλόγιο συναφών οντολογιών, όπως αυτή του EMMO.

Τέλος, προκειμένου να ενισχυθεί η επαναχρησιμοποίηση και η συμβατότητα της πλατφόρμας με τις τρέχουσες βιομηχανικές πρακτικές, οι χρήστες θα μπορούν να χρησιμοποιήσουν το Materialize, είτε εν μέρει είτε συνολικά σε συνδυασμό με ήδη υπάρχοντα “εργαλεία του εμπορίου” (π.χ. ANSYS, ABAQUS), ενώ θα σχεδιαστούν ειδικά πακέτα λογισμικού για απλούστευση της χρήσης του.

Οι σύγχρονες ανάγκες σε όλους τους τομείς της βιομηχανίας επιτάσσουν τη χρήση νέων υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες (μηχανικές, θερμικές, ηλεκτρικές κλπ). Στην πράξη, ο σχεδιασμός νέων, καινοτόμων υλικών καθορίζεται με βάση συγκεκριμένες απαιτήσεις βιομηχανικών εφαρμογών, όπου αναζητούνται βέλτιστες συστάσεις υλικών με στόχο τη δημιουργία νέας υλικής σύνθεσης που να προσδίδει στο υλικό βελτιωμένες ιδιότητες ή κάποια νέα λειτουργικότητα. Ως επί το πλείστον, ο προσδιορισμός της βέλτιστης σύστασης του υλικού επιτυγχάνεται μέσω της διεξαγωγής πειραμάτων, τα οποία είναι συνήθως χρονοβόρα και με μεγάλο κόστος. Ως χαρακτηριστικό παράδειγμα αναφέρεται η διαδικασία σχεδιασμού μερών αεροσκαφών, όπου μέρος του ελέγχου ποιότητας είναι ο χαρακτηρισμός του υλικού και ο οποίος περιλαμβάνει πειράματα καταπόνησης του υλικού σε στατική φόρτιση και σε κόπωση. Τα πειράματα αυτά γίνονται σε παρτίδες αποτελούμενες κατ’ ελάχιστον από πέντε δοκίμια του υπό μελέτη υλικού και εκτός από το κόστος διεξαγωγής απαιτούν και μεγάλο χρονικό διάστημα για την ολοκλήρωσή τους. Επομένως, μια αξιόπιστη διαδικασία μοντελοποίησης σύνθετων υλικών, η οποία θα μειώνει ή και θα παρακάμπτει πλήρως την ανάγκη διεξαγωγής πειραμάτων, θα επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη καινοτόμων προϊόντων βασισμένων σε αυτά τα υλικά, δίνοντας έτσι ανταγωνιστικό πλεονέκτημα σε όλους τους τομείς της βιομηχανίας.

Το Materialize φιλοδοξεί να μειώσει δραστικά το χρόνο και το κόστος παραγωγής νέων υλικών μέσω των δυνατοτήτων που δίνει για την αποτελεσματική και αξιόπιστη μοντελοποίηση τους, κάνοντας χρήση των δεδομένων από έναν μικρό αριθμό πειραμάτων, ή αντλώντας πληροφορίες από τη βάση δεδομένων χωρίς καθόλου πειράματα. Με αυτόν τον τρόπο, το χρονικό και οικονομικό κόστος των πειραμάτων αντικαθίσταται από το υπολογιστικό κόστος των αναλύσεων, το οποίο σε κάθε περίπτωση είναι σαφώς μικρότερο. Αυτή η βελτίωση εκτιμάται ότι θα δώσει μεγάλη ώθηση στο σχεδιασμό νέων σύνθετων μερών στη βιομηχανία. Εκτός αυτού, το
Materialize και το πλαίσιο λειτουργίας του θα βελτιώσει τον έλεγχο κατά τη διαδικασία ανάπτυξης των υλικών, μειώνοντας έτσι τους κινδύνους αστοχίας υλικού, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής τους και επιτυγχάνοντας ένα θετικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο.

Σε επιστημονικό επίπεδο, το Materialize θα επεκτείνει τη γνώση και τη σύγχρονη τεχνολογία στο σχεδιασμό των υλικών. Αυτό θα επιτευχθεί με: α) τη χρήση λεπτομερέστερων τεχνικών μοντελοποίησης μικροκλίμακας, β) την εφαρμογή ακριβέστερων μεθοδολογιών μετάδοσης της στοχαστικής πληροφορίας από τις χαμηλότερες κλίμακες ανάλυσης στις
υψηλότερες, γ) την υλοποίηση αλγορίθμων HPC και exascale computing, δ) την ενσωμάτωση καινοτόμων αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και ε) με την παροχή τεχνολογίας νέφους ώστε να μην απαιτούνται HPC εγκαταστάσεις από το χρήστη στ) την αποτελεσματική ανάδραση μεταξύ πειραματικών μεθόδων και υπολογιστικών εργαλείων.. Όλα τα παραπάνω θα προσφέρονται μέσω ενός εύχρηστου γραφικού περιβάλλοντος, το οποίο θα αποκρύπτει την υπολογιστική πολυπλοκότητα από τον χρήστη.

Τέλος, το Materialize θα αποτελέσει μια ανοιχτή πλατφόρμα για τον αποτελεσματικό και εύρωστο σχεδιασμό των υλικών, όπου θα συγκεντρώνεται η τωρινή και η μελλοντική γνώση στον τομέα της επιστήμης των υλικών και θα γίνεται διαθέσιμη τόσο στη βιομηχανία όσο και στην
επιστημονική κοινότητα. Έτσι, το Materialize θα αποτελέσει έναν δίαυλο για την αλληλεπίδραση ανάμεσα στις διαφορετικές ομάδες ερευνητών που δραστηριοποιούνται στην μοντελοποίηση των υλικών και στη βιομηχανία ενισχύοντας έτσι την συνεργασία μεταξύ τους.

Μέλη Κοινοπραξίας

Ένοτητα Εργασίας 1

 

 

1	Αριθμός Ενότητας Εργασίας:	ΕΕ1
2	Τίτλος Ενότητας Εργασίας:	Επιλογή κωδίκων και αναβάθμισή τους
3	Μήνας Έναρξης:	01/27
4	Συμμετέχοντες	MGroup, NComp

 

---

 

Στην ΕΕ αυτή θα προσαρμοστούν και αναβαθμιστούν κώδικες:

– Ανάλυσης και σχεδιασμού προηγμένων σύνθετων υλικών και μετα-υλικών και κατασκευών από αυτά με έμφαση στους αλγόριθμους αλληλεπίδρασης μεταξύ κλιμάκων.
– Στοχαστικής βελτιστοποίησης σε πολλαπλές κλίμακες. Μια γενική βιβλιοθήκη στοχαστικών μεθόδων και μεθόδων κλίσης της αντικειμενικής συνάρτησης (π.χ μετα-ευριστικοί, αλγόριθμοι βαθμίδας καθώς και υβριδικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης) θα αναβαθμιστεί και ενσωματωθεί στο Materialize.
– Επίλυσης των αλγεβρικών συστημάτων με DDM αλγόριθμους σε HPC περιβάλλοντα. Αξιολόγηση και εν συνεχεία επιλογή κατάλληλων preconditioners που θα εξασφαλίζουν παράλληλη και αριθμητική δυνατότητα κλιμάκωσης σε υβριδικά CPU-GPU υπερ-υπολογιστικά περιβάλλοντα exascale και περιβάλλοντα cloud.
– Μειωμένης τάξης (Reduced Order Models (ROM)) τα οποία θα χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα μοντέλα για την επιτάχυνση της διαδικασίας επίλυσης μεγάλων προβλημάτων σε πολλαπλές κλίμακες. Iδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στα νευρωνικά δίκτυα βαθιάς μάθησης και μοντέλα οδηγούμενα από δεδομένα σε πολλαπλότητες (DMAP).

Παραδοτέα:
1. Αναβάθμιση λογισμικών ανοικτού κώδικα MSolve
2. Δύο δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και δύο σε διεθνή συνέδρια