 |
Repedések dinamikájától katasztrófák előrejelzéséig
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
119967 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Kun Ferenc |
| magyar cím |
Repedések dinamikájától katasztrófák előrejelzéséig |
| Angol cím |
From the dynamics of cracks to the forecasting of catastrophic failures |
| magyar kulcsszavak |
törés, repedési zaj, statisztikus fizika, fázisátalakulások, számítógépes szimuláció |
| angol kulcsszavak |
fracture crackling noise, statistical physics, phase transitions, computer simulation |
| megadott besorolás |
| Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Statisztikus fizika |
|
| zsűri |
Fizika 1 |
| Kutatóhely |
TTK Elméleti Fizikai Tanszék (Debreceni Egyetem) |
| résztvevők |
Danku Zsuzsa
Halász Zoltán
Kádár Viktória
Pál Gergő
Varga Imre
|
| projekt kezdete |
2016-10-01 |
| projekt vége |
2022-06-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
16.712 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
20.45 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Szilárdtestek törési jelenségeit alapvetően befolyásolja az anyag mikro- és mezoszkopikus skálán megjelenő heterogenitása, ezért a jelenségkör kimerítően csak a statisztikus fizika alkalmazásával írható le. A projektben a szakterület két kiemelkedően fontos problémáját, a törési jelenségek előrejelzésének, valamint repedési mintázatok kontrolljának lehetőségeit vizsgáljuk. Kutatómunkánk elsősorban elméleti jellegű, amelyet kísérleti csoportokkal együttműködve hajtunk végre.
Laboratóriumi vizsgálatok alapján porózus szerkezetű szilárdtestek realisztikus diszkrét elem modelljeit dolgozzuk ki, amelyekkel a nyomás alatt létrejövő törési folyamatokat vizsgáljuk. A fokozatos repedezés által keltett repedési zaj időfejlődésének és statisztikájának vizsgálatával célunk a makroszkopikus törés korai előjeleinek azonosítása, amelyek felhasználhatóak a fenyegető katasztrófa előrejelzésére. A realisztikus szimulációkat a szálköteg modellben végzett vizsgálatokkal és végesméret skálázással egészítjük ki, hogy tisztázzuk, a kapott eredmények hogyan terjeszthetők ki valódi konstrukciók és természeti jelenségek skálájára.
Egy hordozóra felvitt paszta vékonyrétegében száradás közben komplex repedési mintázat jön létre, amelyet az együttműködő partnerünk mérései alapján, egy külső mágneses térrel kontrollálni lehet. Realisztikus számítógépes modellezéssel célunk feltárni a kontrollálható mintázatokat, valamint a mintázat felülírásának és törlésének lehetőségeit is. Analitikus és numerikus vizsgálatokkal tisztázzuk szilárdtestekben egy lassan benyomuló hegy által keltett repedési hálózat strukturális átmeneteit, ami a palagáz kitermelés repesztési módszerének egy egyszerű modellje.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Rendezetlen szerkezetű anyagok törési folyamatát repedési zaj kíséri, ami felveti az előrejelzés lehetőségét. Hipotézisünk szerint a törési folyamat mikroszkopikus dinamikáját és a repedési zaj idősorának statisztikus és dinamikai jellemzőit együttesen vizsgálva lehetőség nyílik arra, hogy a globális törés korai előjeleit azonosítsuk, amelyek lehetővé teszik a katasztrófa előrejelzését. Ilyen komplex, mikro- és makroskálán együttesen végzett vizsgálatokat realisztikus diszkrét elem modellek kifejlesztésével tudunk végezni. Kísérleti partnereinkkel együttműködve arra keressük a választ, hogyan jönnek létre a repedési zaj idősorának rekordméretű eseményei, ezek hogyan befolyásolják a rendszer időfejlődését, szolgálhat-e a rekordok megdőlésének gyorsulása előjelként, és hogyan befolyásolja a terhelés alkalmazásának módja az előjelek megjelenését? Nagyon fontos kérdés annak tisztázása, hogyan lehet az elméleti eredményeket a valódi konstrukciók és természeti katasztrófák méreteire felskálázni?
Újszerű ipari alkalmazásokra nyílik lehetőség, ha jól kontrollált módon tudunk repedési mintázatokat kelteni. Hipotézisünk szerint a paszták vékonyrétegeinek száradásakor keletkező repedési mintázat szerkezetét a korábbiaknál is hatékonyabban lehet befolyásolni egy mágneses komponens hozzáadásával és külső mágneses tér alkalmazásával. Szimulációkkal arra keressük a választ, hogyan határozzák meg a rendszer paraméterei a létrejövő mintázatot, és hogyan lehet a kezdeti mágneses tér hatását felülírni, illetve törölni. Tisztázni akarjuk, hogyan kontrollálható egy szilárdtestbe behatoló hegy által keltett repedési hálózat szerkezete, ha változtatjuk a behatolás sebességét.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt keretében törési jelenségek kutatásának két kiemelkedően fontos problémájával, a katasztrofális törés előrejelzésével és a repedési mintázatok kontrolljával foglalkozunk a statisztikus fizika megközelítési módszereire építve. A vizsgálatokhoz komplex számítógépes modelleket fejlesztünk ki, amelyek egyedülálló részletességgel reprezentálják a rendezetlen anyagok szerkezeti jellemzőit, ami a projekten túlmenően is jelenségek széles körének vizsgálatát teszi lehetővé. A statisztikus fizikai megközelítés alkalmazásával lehetőségünk nyílik arra, hogy elmélyítsük a törési jelenségek analógiáját a fázisátalakulásokkal és kritikus jelenségekkel.
Vizsgálataink alapkutatás jellegűek, de az eredményeknek kiterjedt technológiai alkalmazásai és jelentős társadalmi hasznosulása lehetséges. Műszaki konstrukciók katasztrofális összeomlását törési jelenségek okozzák, de számos természeti katasztrófa hátterében is repedések keletkezése és terjedése áll. Ma már általános gyakorlat, hogy költséges konstrukciókat olyan érzékelőkkel szerelnek fel, amelyek rögzítik a repedések által emittált akusztikus zajt. Meredek, földcsuszamlásnak kitett hegyoldalak, instabil sziklafalak szintén akusztikus megfigyelés alatt állnak, valamint magasabb skálán hasonló szerepet játszanak földrengések szeizmológiai jelei is. Vizsgálataink jelentősen hozzájárulhatnak ahhoz, hogy az érzékelők jelei alapján minősíteni tudjuk szerkezetek károsodását, előre jelezhessünk katasztrofális eseményeket és így elkerülhessünk emberi veszteségeket. Repedési mintázatok kontrolljának széleskörű alkalmazásai lehetségesek a nano-megmunkálástól, a mikroelektronikán át, a palagáz és olaj kitermeléséig.
Kutatómunkánk Magyarországon egyedülálló, azonban a tágabb szakterületen több magyar kutatócsoport tevékenykedik: Börzsönyi Tamás (Wigner FK), Groma István (ELTE). Külföldön számos kísérleti és elméleti kutatócsoport említhető, köztük az együttműködő partnereink is. Csak néhányat említve: Stefano Zapperi (CNR, Milan), Mikko Alava (Aalto University, Helsinki), Stephane Santucci, Loic Vanel, Osvani Ramos (University of Lyon), Alex Hansen (University of Trondheim), Knut Jorgen Maloy (University of Oslo), Michael Zaiser (University of Erlangen).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Gyakorlati jelentősége miatt, szilárdtestek mechanikai terhelés alatt lejátszódó törését már az ókor óta vizsgálja a tudomány. Ennek ellenére repedések keletkezése és terjedése a közelmúltban is számos esetben okozta mérnöki konstrukciók (hidak, völgyzárógátak) összeomlását, de több természeti katasztrófa, mint a hó- és kőlavinák, földcsuszamlások és földrengések hátterében is repedési jelenségek állnak. Projektünkben törési jelenségek előrejelzésének, valamint kontrolljának lehetőségeit kutatjuk, amelyek gyakorlati fontosságuk mellett társadalmi jelentőséggel is bírnak.
Szilárdtestek törése általában nem hirtelen következik be. A természetes és a mérnöki gyakorlatban használt mesterséges anyagok rendezetlen szerkezetűek, ezért terhelés hatására fokozatosan repedeznek, ami hang kibocsátással jár. Kísérleti partnerekkel együttműködve törési jelenségek realisztikus modelljeit dolgozzuk ki és számítógépes szimulációkkal elemezzük a repedési zaj időfejlődését. A statisztikus fizika módszereivel a globális törés korai előjeleit akarjuk azonosítani, amelyek alapján lehetőség nyílhat a katasztrófa előrejelzésére.
A törési jelenségek fizikájának nagyon fontos kihívása a repedési mintázatok kontrollált módon történő létrehozása, ami újszerű alkalmazások széles spektrumát teszi lehetővé a nano-megmunkálástól a palagáz kitermeléséig. Egy kísérleti csoporttal együttműködve a képlékeny paszták vékonyrétegeiben száradás közben keletkező repedési mintázat mágneses térrel történő kontrollját vizsgáljuk. Elemezzük egy szilárdtestbe lassan benyomódó kemény hegy által keltett repedési hálózat szerkezetét is, ami a palagáz-kitermelés technológiájának egy egyszerű modellje.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Fracture processes of solids are strongly affected by the disorder of materials, present at the micro- and meso-scales, hence, comprehensive understanding of fracture phenomena can only be achieved by the application of statistical physics. In the project we investigate two problems of outstanding importance of the research field, i.e. the possibilities of forecasting impending catastrophic failures and the controlled generation of crack patterns. Our research is mainly of theoretical nature executed in close collaboration with experimental research groups.
Based on laboratory studies, we work out realistic discrete element models of porous materials and investigate the process of compressive failure. Analyzing the time evolution and statistics of crackling noise generated by the gradual fracturing our goal is to identify early signatures of macroscopic failure which could be exploited to forecast the impending catastrophe. The realistic simulations will be complemented by fiber bundle studies and finite size scaling analysis to clarify how to upscale the results to the size of real structures and natural phenomena.
According to the experiments of our collaborator, in thin layers of pastes on a substrate desiccation induces a complex crack pattern which can be controlled with an external magnetic field. We perform realistic computer modelling to reveal the available patterns and the possibilities to rewrite and to erase them. Analytical and numerical calculations are planned to clarify the structural transitions of crack networks generated by a slowly penetrating intruder in solids as a simple model of fracking technologies used to extract shale gas.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The fracture of heterogeneous materials is accompanied by crackling noise which addresses the possibility of forecasting. Our hypothesis is that based on the joint investigation of the microscopic dynamics of the fracture process and the statistical and dynamical features of crackling noise early signatures of failure can be identified which can be exploited to forecast the impending catastrophe. Such joint investigation of micro- and macro-scale phenomena of high complexity requires the development of realistic discrete element models of fracture. In collaboration with our experimental partners we want to understand how record breaking bursts of the crackling time series emerge, how records affect the structure and evolution of the time series, whether the acceleration of record breaking can serve as a signature of the final acceleration towards failure, and how the loading conditions affect the appearance of precursors? It is a very important question how the theoretical results can be scaled up to the size of real structures and natural phenomena?
The controlled generation of crack patterns allows for a broad spectrum of novel industrial applications. We hypothesize that the magnetic controll of desiccation induced crack patterns in thin layers of pastes may have a higher efficiency and flexibility beyond our current understanding. Based on computer simulations we want to clarify how the parameters of the system determine the available crack patterns and how the effect of the initial magnetic field can be overwritten or erased. We want to reveal how the structure of the crack network generated in solids by an intruder can be controlled by the speed of penetration.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our research is focused on two problems of fracture physics of ultimate importance, i.e. the forecasting of catastrophic failures and the controlled generation of crack patterns based on the approaches of statistical physics. We develop realistic computational models of a high complexity which provide a detailed representation of the microstructure of materials making also possible to investigate a broad spectrum of phenomena beyond the main goals of the project. The application of statistical physics allows us to extend the analogy of fracture phenomena with phase transitions and critical phenomena, as well.
We perform basic research, however, the results can form the basis of various technological applications having also a great societal impact. The catastrophic collapse of engineering constructions is caused by fracture processes, and the nucleation and propagation of cracks are often responsible for natural catastrophes, as well. Recently, it has become a common practice to equip expensive constructions with sensors to record the acoustic noise of cracking. Steep slopes endangered by landslides and unstable rock walls in mountains are also often under acoustic surveillance; on higher length scales the seismological signals of earthquakes play the same roll. Our research may have a considerable contribution to achieve more accurate assessment of the damage state of constructions, based on the recorded crackling signals, and to forecast catastrophic failures to avoid human loss. The controlled generation of desired crack patterns has broad range of applications from nano-manufacturing, through microelectronics, to fracking technologies.
Our research is quite unique in Hungary, however, in the broader research field there are a few Hungarian research groups: Tamás Börzsönyi (Wigner FK) and István Groma (ELTE). Abroad several research groups can be mentioned including also our collaborators. Just to name a few: Stefano Zapperi (CNR, Milan), Mikko Alava (Aalto University, Helsinki), Stephane Santucci, Loic Vanel, Osvanny Ramos (University of Lyon), Alex Hansen (University of Trondheim), Knut Jorgen Maloy (University of Oslo), Michael Zaiser (University of Erlangen).
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Fracture phenomena of materials have been investigated since ancient times, due to their high practical relevance. In spite of these efforts, the nucleation and propagation of cracks can still give rise to the catastrophic collapse of engineering construction (e.g. bridges and water dams), and several natural catastrophes such as snow- and stone avalanches, landslides and earthquakes are caused by fracture processes. In our project we investigate the possibilities of forecasting catastrophic failure events and the controlled generation of crack patterns, which both have a high potential of industrial applications and a great societal impact.
Fracture of materials rarely occurs suddenly. The natural and most of the artificial materials of engineering practice have a disordered microstructure so that under mechanical loads they undergo gradual cracking which generates acoustic noise. Collaborating with experimental partners we work out realistic models of fracture and analyze the time evolution of crackling noise towards failure. Based on approaches of statistical physics we want to identify early signatures of failure which could make possible to forecast the impending catastrophe.
The controlled generation of desired crack patterns is a great challenge of current fracture physics, with a broad spectrum of potential applications from nano-fabrication to shale gas recovery. Collaborating with an experimental group we investigate the control of desiccation induced crack patterns in thin layers of pastes with an external magnetic field. We also study the structure of crack networks generated in solids by a slowly penetrating intruder, as a simple model of fracking.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| A. Batool, G. Pal, Zs. Danku, and F. Kun: Transition from localized to mean field behaviour of cascading failures in the fiber bundle model on complex networks, Chaos, Solitons and Fractals 159, 112190, 2022 | | A. Batool, Zs. Danku, G. Pal, and F. Kun: Temporal evolution of failure avalanches of the fiber bundle model on complex networks, Chaos 32, 063121, 2022 | | R. Szatmari, Z. Halasz, A. Nakahara, S. Kitsunezaki, and F. Kun: Evolution of anisotropic crack patterns in shrinking material layers, Soft Matter 17, 10005, 2021 | | Kádár Viktória, Pál Gergő, Kun Ferenc: Record statistics of bursts signals the onset of acceleration towards failure, SCIENTIFIC REPORTS 10: (1) 2508, 2020 | | V. Kadar, Zs. Danku, G. Pal, and F. Kun: Approach to failure through record breaking avalanches in a heterogeneous stress field, Physica A 594, 127015, 2022 | | A. Hansen, F. Kun, S. Pradhan, and P. Ray: The Fiber Bundle, Frontiers in Physics 9, 667, 2021 | | Kádár Viktória, Danku Zsuzsa, Kun Ferenc: Size scaling of failure strength with fat-tailed disorder in a fiber bundle model, PHYSICAL REVIEW E: COVERING STATISTICAL NONLINEAR BIOLOGICAL AND SOFT MATTER PHYSICS (2016-) 96: (3) 033001, 2017 | | Batool Attia, Pál Gergő, Kun Ferenc: Impact-induced transition from damage to perforation, PHYSICAL REVIEW E: COVERING STATISTICAL NONLINEAR BIOLOGICAL AND SOFT MATTER PHYSICS (2016-) 102: (4) 042116, 2020 | | Zoltán Halász, Akio Nakahara, So Kitsunezaki, and Ferenc Kun: Effect of disorder on shrinkage-induced fragmentation of a thin brittle layer, Physical Review E96, 033006, 2017 | | Viktória Kádár, Zsuzsa Danku, and Ferenc Kun: Size scaling of failure strength with fat-tailed disorder in a fiber bundle model, Physical Review E 96, 033001, 2017 | | Gergő Pál, Zoltán Jánosi, Ferenc Kun, and Ian G. Main: Fragmentation and shear band formation by slow compression of brittle porous media, Physical Review E 94, 053003, 2016 | | I.G. Main, F. Kun, and A.F. Bell: Crackling Noise in Digital and Real Rocks--Implications for Forecasting Catastrophic Failure in Porous Granular Media, in E. Salje, A. Saxena, and A. Planes (eds.), Avalanches in Functional Materials and Geophysics, pages 77-97 (Springer International Publishing, 2017), 2017 | | Réka Körei and Ferenc Kun: Time-dependent fracture under unloading in a fiber bundle model, Physical Review E 98, 023004, 2018 | | Zsuzsa Danku, Géza Ódor, and Ferenc Kun: Avalanche dynamics in higher-dimensional fiber bundle models, Physical Review E 98, 042126, 2018 | | Ferenc Kun, Gergő Pál, Imre Varga, and Ian G. Main: Effect of disorder on the spatial structure of damage in slowly compressed porous rocks, Phil. Trans. R. Soc. A 377: 20170393, 2018 | | Kádár Viktória és Kun Ferenc: System-size-dependent avalanche statistics in the limit of high disorder, Physical Review E 100, 053001, 2019 | | Ferenc Kun, Gergő Pál, Imre Varga, and Ian G. Main: Effect of disorder on the spatial structure of damage in slowly compressed porous rocks, Phil. Trans. R. Soc. A 377: 20170393, 2019 | | V. Kadar, G. Pal, and F. Kun: Record statistics of bursts signals the onset of acceleration towards failure, Scientific Reports 10, 2508, 2020 | | G. Domokos, D. J. Jerolmack, F. Kun, and J. Torok: Plato's cube and the natural geometry of fragmentation, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 117, 18178, 2020 | | A. Batool, G. Pal, and F. Kun: Impact-induced transition from damage to perforation, Physical Review E 102, 042116, 2020 | | Z. Halasz, I. Kallai, and F. Kun: Stick-Slip Dynamics in Fiber Bundle Models with Variable Stiffness and Slip Number, Frontiers in Physics 9, 8, 2021 | | G. Pal, G. Domokos, and F. Kun: Curvature flows, scaling laws and the geometry of attrition under impacts, Scientific Reports 11, 20661, 2021 | | R. Szatmári, Z. Halász, A. Nakahara, S. Kitsunezaki, and F. Kun: Evolution of anisotropic crack patterns in shrinking material layers, Soft Matter doi.org/10.1039/D1SM01193F (Advance article), 2021 | | Ferenc Kun, Gergő Pál, Imre Varga, and Ian G. Main: Effect of disorder on the spatial structure of damage in slowly compressed porous rocks, Phil. Trans. R. Soc. A 377: 20170393, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
