研究人员预测了无序材料的失效
无序材料——如泡沫细胞、纤维和聚合物网络——在从建筑到生物医学支架的应用中很受欢迎。预测这些材料在何时何地可能失效，不仅会影响目前使用的材料，还会影响未来的设计。来自北卡罗莱纳州立大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员能够预测二维无序激光切割晶格中可能的失效点，而无需研究材料的详细状态。
无序材料的内部是由细长梁之间的连接网络形成的，这些梁在整个材料的不同点或节点上相交。它们的结构允许压缩和变形，使它们能够承受不同类型的力。
北卡州立大学博士后研究员Estelle Berthier是一篇描述这项研究的论文的第一作者，她着手确定是否有可能预测在一个混乱的网络中哪里最容易发生故障。Berthier和他的合著者，NC州立大学的物理学教授Karen Daniels，基于颗粒材料中观察到的接触网络生成了晶格，并研究了一种被称为测地边缘中心性(GEBC)的特性。
“在网络中，一条边的重要性在于它能够使用最短路径连接网络的不同部分，”Berthier说。“在我们的模型晶格中，当你用最短路径连接网络的每个节点时，你使用其中的一束，或边。如果你经过一条特定的边很多次，那么这条边的中心性就很高。考虑一下在两个城市之间使用最短路径，或道路。中心性值是那条最短路径上最受欢迎的路径。”
在与加州大学洛杉矶分校(UCLA)数学家梅森·波特(Mason Porter)的合作中，研究人员使用了一种计算机算法来计算晶格的GEBC，并发现中心值高于平均值的边缘最有可能失效。
“如果你在特定的道路上有更高的交通流量，那么就会有更多的磨损，”Berthier说。“类似地，更高的中心性值意味着材料中的特定路径要处理更多的外力‘流量’，应该更密切地监控或以某种方式支撑。”
研究人员发现，仅GEBC值就足以识别材料中的故障部位。
丹尼尔斯说:“这个结果让我感到惊讶的是，计算并不需要我们知道任何材料的性质，只需要知道各部分是如何连接在一起的。”“当然，我们可以通过在计算中加入物理相互作用的信息，使预测更加有力。”
这项研究发表在美国国家科学院院刊并得到了詹姆斯·s·麦克唐奈基金会的支持。
皮克-
编辑报告:摘要如下。
二维无序格的失效位置预测
作者: Estelle Berthier, Karen Daniels，北卡罗来纳州立大学;梅森·波特，加州大学洛杉矶分校
发表：美国国家科学院院刊
摘要：
在考虑结构材料时，预测逐渐失效的无序结构的裂缝位置是至关重要的。我们探讨了二维无序网格(我们表示为网络)在不同的平均度值下，通过梁断裂而逐渐恶化的问题。我们研究了二维颗粒介质中具有几何结构的实验样品，这些样品是基于观察到的接触网络构建的。我们计算测地线的中间边中心性，这有助于量化哪些边在一个网络的许多最短路径上，以预测故障的位置。我们对测试样本进行了证明，对于各种失效行为，失效主要发生在测地线中间值大于结构中平均值的位置。因为只有一小部分边缘的值高于平均值，这是评估故障位置的相关诊断。我们的结果表明，我们可以只考虑系统的特定部分作为可能的故障位置，并且，在合理的成功下，我们可以评估结构的可能故障位置，而不需要研究其详细的能量状态。
