واجهة المستخدم الرسومية للمواد العلمية

يتقدم تصميم السبائك الجديدة عبر النمذجة الحسابية التنبؤية على قدم وساق، ولكن غالبًا ما يكون من الصعب استخدام وتفسير الأدوات مفتوحة المصدر العديدة المتاحة لنمذجة علوم المواد.
التحدي هو تطوير واجهة مستخدم رسومية (GUI) تتيح استخدامًا سهلًا وسلسًا لهذه الأدوات.

تفاصيل
خلفية
تستخدم ناسا السبائك لبناء العديد من العناصر في مهمّاتها، بما في ذلك مكونات نظام الإطلاق الفضائي (SLS)، والمحركات، وحتى الدفع الحراري النووي (NTP) وأبحاث مواد الجاذبية الصغرى لمحطة الفضاء الدولية (ISS).
تعتمد الهياكل واسعة النطاق التي تضمّنت المحطات والموائل الفضائية، والمركبات الفضائية التي تستخدم NTP، وعناصر أخرى تتراوح من فوهات المحرّك إلى الدافعات الأيونية Hall على تصميم المواد وتطويرها كما هو الحال مع تطوير أحدث التقنيات.
ويعتمد نجاح كل عنصر على خصائص السبيكة المختارة، وأداء السبيكة في البيئة المقصودة، وقابليتها للطباعة، وقابلية اللحام، وطريقة الربط المستخدمة، على سبيل المثال: عملية الصهر الانتقائي (اللحام بالاندماج والانصهار الانتقائي بالليزر ثلاثي الأبعاد [SLM] الطباعة وطرق ترسيب الطاقة المباشرة ذات الصلة [DED]) أو عملية الانضمام إلى الحالة الصلبة.
يُعدّ علم المواد والنمذجة التنبؤية للسبائك من الموضوعات الصعبة، ومع ذلك، فإن طرق تصميم سبائك جديدة عبر النمذجة الحسابية التنبؤية تتقدم بسرعة فائقة! أدى اقتران تصميم السبائك الحسابية بالتوليف التكراري وتوصيف / اختبار السبائك إلى تقليل الوقت اللازم لإنتاج سبيكة جديدة إلى عام أو عامين، فيما كانت تستغرق أكثر من عقد! سيتعرف العديد من القراء على هذا باعتباره نهج هندسة المواد الحاسوبية المتكاملة (ICME).
تعتمد هذه التطورات السريعة على الحسابات المتعلقة بالديناميكا الحرارية وحتى التفاعلات الذرية للسبائك والمواد، ويتم تكرار الحلول لتحديد التكوينات والمواد المثلى للتصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) واللحام والانضمام على الأرض والتصنيع في الفضاء للهياكل الكبيرة في المدار والقمر.
على مدار العقد الماضي، تم تطوير أدوات نمذجة علوم المواد الحاسوبية في المختبرات الوطنية مثل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ومختبرات سانديا الوطنية، وفي وكالة ناسا، ومن قبل فرق في جامعات عالمية المستوى.
تتكون هذه التطبيقات من أدوات حسابات الديناميكيات الجزيئية والميكانيكية الكمية، وطرق مونت كارلو الإحصائية العشوائية، وأدوات الحساب الديناميكي الحراري.

إنّ العديد من هذه الأدوات مجانية ومرخصة بموجب الرخصة العامة (GPL) أو أنظمة الترخيص مفتوحة المصدر، ومع ذلك، فإنّ معظم هذه الأدوات مفتوحة المصدر تعتمد على واجهات أسطر الأوامر المعقدة ولغات البرمجة النصية وهي فريدة جدًا مما يحد من إمكانية وصولها إلى المجتمع العام لمهندسي المواد والعلماء.
لاستخدام هذه الأدوات، يتعيّن على المرء عادةً معرفة العديد من لغات البرمجة المتخصصة، أو تثبيت مكتبات خاصة، أو استخدام أدوات برامج تابعة لجهات خارجية أو حتى قواعد بيانات مواد مبنية خصيصًا.
بعد ذلك، يتعين على المرء تنفيذ قوائم انتظار ضخمة للعمل المتوازي، وكل ذلك لتشغيل نموذج بسيط حسابيًا.
يمكن زيادة استخدام هذه الأدوات مفتوحة المصدر إذا كان من الممكن استخدامها لتشغيل نموذج تلو الآخر لمادة بعد مادة بطريقة سلسة وبدون مجهود، وتكون قادرة على تبديل طريقة الحساب المستخدمة من مورد واحد مجمعة (على سبيل المثال: الكم) إلى آخر (على سبيل المثال: الديناميكيات الجزيئية، ومونتي كارلو، والديناميكا الحرارية، وما إلى ذلك) إلى آخر بضغطة زر تمامًا.
علاوة على ذلك، فقد يكون من المفيد تكوين مثل هذه الأدوات مفتوحة المصدر لتكون قادرة على عرض ومعالجة المخرجات المختلفة بنفس القدر من السهولة.
قد تكون تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية مفيدة، إذ يمكن أن يزيد التطبيق الذي يحتوي على حزم مجمّعة سهلة التثبيت للمكتبات والتبعيات المطلوبة مع واجهة المستخدم الرسومية (أي القوائم المنسدلة والحوسبة بضغطة زر) من استخدام أدوات النمذجة العلمية للمواد مفتوحة المصدر الحالية، ويمكن أن تكون واجهة المستخدم الرسومية لكل نهج فردي وبرامج مجانية أو يمكن أن تتضمن عدة طرق.


الأهداف
- يتمثل التحدي الذي تواجهه في تطوير تطبيق ذي واجهة مستخدم رسومية تفاعلية، أو العديد من تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية، التي تتيح استخدامًا سهلًا لمجموعات برامج النمذجة الهندسية وعلوم المواد مفتوحة المصدر.
قد تدمج وتجمع أداتك جميع العناصر المطلوبة لاستخدام مجموعات البرامج هذه بسلاسة، بما في ذلك حزم التثبيت مع جميع التبعيات وقواعد البيانات وموارد الجهات الخارجية/ البرامج المجانية.

الاعتبارات المحتملة
أثناء قيامك بتطوير واجهة المستخدم الرسومية، يمكنك مراعاة ما يلي، ولكنّك لست مُلزما به:
- يمكن أن تتفاعل واجهة المستخدم الرسومية مع حزم حساب نمذجة علوم المواد التالية:
مجموعة MUST الحسابية للسبائك
مجموعة الأدوات الآلية النظرية لسبائك ATAT (جامعة براون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
حزمة OpenCalphad المجانية NIST)، PyCalphad) هي أيضًا مجانية.

يمكن لواجهة المستخدم الرسومية أن تجمع بين العديد من الأساليب والحزم مع الحزم الذرية الأساسية مفتوحة المصدر، وأدوات الرسوم البيانية والتخطيط، وحتى حزم التعلّم الآلي / الذكاء الاصطناعي (AI). إن عبء تصميم وتطوير واجهة المستخدم الرسومية للحزم الذرية، وحتى حزم التعلم الآلي، وحزم التخطيط، مطابق تقريبًا لحزم الأمثلة المذكورة أعلاه.
أمثلة محددة للحزم الذرية: يمكن أيضًا أن تتكامل واجهة المستخدم الرسومية الخاصة بك بسلاسة مع النظرية الوظيفية للكثافة الذرية المجانية (DFT) (على سبيل المثال: الديناميكيات الذرية والديناميات الجزيئية الكلاسيكية، وما إلى ذلك) تطبيقات مثل SIESTA و LAMMPS ومع الرسوم البيانية / التخطيط المجاني مثل مثل ParaView (برنامج Los Alamos المجاني) و gnuplot، إلخ.
الكلمات الرئيسية المحتملة التي يمكنك البحث عنها عبر الإنترنت: هندسة المواد الحاسوبية المتكاملة (ICME)، نظرية الكثافة الوظيفية، الديناميكيات الجزيئية، واجهة المستخدم الرسومية (GUI)، واجهة برمجة التطبيقات (API)، حقل الطور، الميكريس، التعلم الآلي، tensor flow، اكتشاف المواد الحسابية، تصميم السبائك.

للحصول على البيانات والمراجع المتعلقة بهذا التحدي، ارجع إلى علامة التبويب "المصادر" في أعلى الصفحة يمكن أن يتم إضافة المزيد من المراجع قبل بدء الهاكاثون.

لا تصادق وكالة ناسا على أي كيان حكومي غير أمريكي وليست مسؤولة عن المعلومات الواردة في المواقع الإلكترونية الحكومية غير الأمريكية.


لا توجد أفكار حالياً.