#моделирование

С каждым годом количество операций по эндопротезированию неуклонно растет. Металлические имплантаты, будучи слишком жесткими, со временем разрушают кость пациента, приводя к повторным операциям. Однако более перспективные протезы из углеродного композита накапливают при нагрузке микротрещины. Существующие методы расчета не дают врачам узнать, как это скажется на прочности всей детали, что делает неэффективным широкое внедрение таких материалов в медицину. Ученые Пермского Политеха разработали первую в мире двухуровневую компьютерную модель, способную предсказать, как микроскопические повреждения внутри угле-углеродного композита влияют на его прочность и долговечность в условиях реальной эксплуатации.

Современный интернет, цифровая связь и медицина сильно зависят от качества оптоволоконных кабелей. Однако их производство — сложный процесс, где ошибка в доле миллиметра или градуса ведет к порче всей заготовки. Основная сложность заключается в том, что промышленные станки запрограммированы для обработки деталей строго определенных, эталонных размеров. Однако реальное сырье в силу технологических особенностей всегда имеет небольшие отклонения. В этом случае технологи вынуждены подбирать настройки оборудования «на глаз», что резко увеличивает долю брака и снижает эффективность производства оптического волокна. Ученые Пермского Политеха создали инженерный инструмент, который рассчитывает идеальные параметры для любой заготовки. Внедрение метода позволит в два раза ускорить обработку и на 75% снизить долю бракованной продукции.

Вложения в космическую отрасль приносят экономике значительную выгоду. Согласно расчетам сотрудников факультета экономических наук НИУ ВШЭ и организации «Агат» госкорпорации «Роскосмос», каждый вложенный в космический проект рубль способен приносить более 5 рублей валовой добавленной стоимости и почти 3 рубля налоговых доходов федерального бюджета. Ученые предложили модель, которая позволяет обосновывать решения о бюджетном финансировании не только с точки зрения отраслевых задач, но и с позиции вклада в макроэкономические показатели и структурное развитие экономики.

Сотрудники лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ перебрали более четырех тысяч структур соединений молибдена и серы в поисках стабильных нанокластеров. Им удалось обнаружить 29 устойчивых вариантов, лишь семь из которых были обнаружены ранее экспериментально. Также исследователи выявили, возможно, наименьшую плоскую наноструктуру Mo-S: метастабильное кольцо из 10 атомов молибдена и 20 атомов серы. Исследование открывает путь к созданию новых катализаторов или компонентов для литий-ионных аккумуляторов на основе идентифицированных нанокластеров.

Полимерные покрытия многие годы служат основой защиты различных металлоконструкций. Они применяются как в бытовой технике, так и на сложных инженерных объектах, в том числе и в транспортных системах. Однако в транспортной отрасли, особенно там, где создаются крупногабаритные и аэродинамически сложные машины, традиционные технологии порошкового окрашивания оказываются недостаточно эффективными. Подвижной состав для комплексов uST имеет уникальный дизайн с большой площадью остекления и требует идеального качества покрытия. Из-за этого белорусские инженеры столкнулись с задачей, которую оказалось невозможно решить стандартными методами.

Ежегодно люди по всему миру сталкиваются с необходимостью восстановления после тяжелых травм, операций и возрастных изменений. Наибольшие трудности возникают при лечении масштабных повреждений костей, когда собственных ресурсов организма для заживления уже недостаточно. Существующие хирургические методики, в том числе аутопластика (пересадка собственных тканей пациента), не только требуют длительного восстановления, но и создают дополнительные медицинские риски. Ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, чтобы выявить оптимальные условия для регенерации костной ткани. Полученные результаты дают возможность проектировать структуру имплантатов, которая обеспечит максимально быстрое и качественное восстановление при серьезных повреждениях.

Фотополимер — специальный пластик для высокоточной 3D-печати. Часто применяется в ювелирном деле, медицине и особенно в литейной промышленности, позволяя создавать сложные детали с внутренними каналами, например, турбинные лопатки. Однако в процессе термообработки до 450°C, необходимой для выжигания прототипа, материал расширяется, вызывая микротрещины в керамической форме. Это приводит к браку при заливке металлом. Применяемые сегодня расчетные модели не учитывают, что при нагреве меняется вязкоупругое поведение фотополимера — сочетание его упругости и способности течь, — что и вызывает ошибки прогнозирования и производственные дефекты. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали принципиально новую программу, которая принимает в расчет оба этих ключевых параметра и предсказывает поведение пластика на 97%.

Современная экономика остро зависит от стабильности топливно-энергетического комплекса. Однако его основа, нефтедобыча, сталкивается с истощением легкодоступных запасов. Для оценки их потенциала инженеры используют геолого-гидродинамическое моделирование, позволяющее испытывать стратегии разработки в виртуальной среде и создавать цифровых двойников месторождений. Тем не менее, традиционные подходы к проектированию, основанные на двумерных картах, не дают точной информации о строении пластов. Это ведет к неоптимальной расстановке скважин и потере значительных объемов нефти. Ученые Пермского Политеха разработали методику генерирования множества 3D-моделей с возможностью выбора наиболее достоверных, описывающих реальное геологическое строение месторождений. Исследование позволяет существенно сократить неопределенность в оценке нефтяных запасов и уменьшить количество моделей для анализа.

Управление большими группами взаимодействующих объектов стало одной из ключевых технологических проблем. Ученые из разных научных областей предлагали свои решения, но столкнулись с ограничениями. Существующие подходы либо оказываются неэффективными при масштабировании, либо не способны учитывать множество важных факторов. Ученые Пермского Политеха нашли решение этой проблемы в природе, исследовав механизм коллективного выживания императорских пингвинов. Они усовершенствовали разработанную ранее математическую модель самоорганизации и впервые проанализировали поведение каждого агента в отдельности, раскрывая механизмы перехода от индивидуальных действий к общим. Это исследование открывает практические перспективы в различных областях — от создания роев медицинских нанороботов, способных точечно доставлять лекарства к опухолям, до проектирования автономных систем для работы в экстремальных условиях Арктики и космоса.

Коллектив ученых из МФТИ, НИИСИ и Университета Иннополис разработал и детально сравнил между собой ряд высокоэффективных модификаций численного метода, основанного на гибридном подходе с использованием так называемых Химерных сеток. Этот подход позволяет значительно повысить точность и одновременно снизить ресурсоемкость компьютерного моделирования упругих волн в средах со сложной геометрией. Разработка имеет огромное значение для таких критически важных областей, как сейсмическая разведка полезных ископаемых и ультразвуковая дефектоскопия материалов, например, железнодорожных рельсов. 

Физики-теоретики из МФТИ, СПбГУ, Владимирского государственного университета и Университета Вестлейк в Китае предложили и обосновали новую платформу, способную формировать пространственное распределение света по внешнему сигналу.

Костная ткань человека обладает сложной пористой структурой, идеально адаптированной к нагрузкам. Однако при серьезных травмах она не всегда способна к регенерации, что требует замены участка имплантатом. Создать такой искусственный аналог сложно: он должен быть одновременно устойчивым к внешнему давлению, как натуральная кость, и иметь пористую структуру для прорастания клеток и сосудов. Существующие технологии не позволяют одновременно удовлетворить оба требования — традиционные методы создания простых геометрий и современное 3D-моделирование либо дают прочность без оптимальной биосовместимости, либо наоборот. В результате вживленные конструкции часто отторгаются, что ведет к повторным операциям и увеличивает сроки восстановления. Ученые Пермского Политеха разработали «цифровой конструктор» для создания скаффолдов, который позволяет одновременно управлять механическими свойствами и геометрией структур. Это обеспечивает оптимальное сочетание стойкости и совместимости с живыми тканями, необходимое для успешного приживления имплантатов и сокращения периода лечения.

Долгие годы ученых и философов привлекала идея, что человечество может жить внутри масштабной компьютерной симуляции, подобно тому, как это показано в фильме «Матрица». Однако новое исследование опровергло эту теорию.

Ученые из Института автоматизации проектирования РАН и Московского физико-технического института смоделировали структуру и процесс разрушения легких сплавов. Модель позволит определять межремонтный интервал авиационного оборудования и оптимизировать производство комплектующих, что повысит безопасность полетов.

На экзопланете WASP-17b, расположенной в 1300 световых годах от Земли, зафиксировали признаки атмосферных явлений, напоминающих солнечные столбы и гало. На нашей планете они возникают, когда кристаллы льда выстраиваются определенным образом.

Специалисты центра изучения недр «Геосфера» извлекают из образцов грунта все необходимые данные о действующих и перспективных месторождениях нефти. Рутинные операции с керном делегированы роботам. Умные помощники трудятся 24/7 и позволяют исследователям сосредоточиться на научных и технологических задачах.

Ученые ТюмГУ проанализировали влияние конфигурации и свойств пласта и технологического режима эксплуатации скважин на коэффициент извлечения нефти. По мнению исследователей, эти факторы можно рассматривать как определяющие для выбора наиболее эффективной стратегии разработки.

Как показали генетики, современные люди Евразии произошли главным образом от одной небольшой группы, мигрировавшей из Африки примерно 50 тысяч лет назад. До этого было несколько попыток покинуть прародину во время климатических оптимумов, когда сахаро-арабский пустынный пояс оказывался проходим, как это было 125 тысяч лет назад, в последнее межледниковье. Почему же более ранние миграции не оставили заметного генетического следа в современной популяции? Ответ на этот вопрос ученые получили с помощью моделирования.

Наблюдая ранние этапы рождения землеподобных миров, астрономы приблизились к решению «метрового барьера» — проблемы роста пылевых зерен до размеров, необходимых для формирования планет.

Слушатели узнают, какие условия воссоздаются в различных модельных экспериментах и какие задачи в них решаются.