跨尺度
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-01-30
跨尺度的視頻教程
難加工材料切削優化的多尺度分析與跨技術關聯性研究
在航空航天、能源動力等高端制造領域，難加工材料構件的精密制造已成為制約裝備性能提升的關鍵瓶頸。以航空發動機渦輪盤、鈦合金薄壁構件為典型代表，這類構件通常要求在極端工況下保持結構完整性與功能穩定性，其制造過程面臨著材料切削性能與加工質量控制的雙重挑戰。
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基于Aspen EDR和ANSYS Fluent的板翅式換熱選型計算與設計
涉及基于ANSYS meshing的跨尺度的網格劃分，EDR中platefin的計算，fluent物質輸運與共軛傳熱計算等多種軟件操作及計算原理講解。 數模采用SolidWorks建立 本課程同樣提供一部分個人整理的資料，歡迎加微信討論，微信號在課程最后一章
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跨尺度的實例教程
為了克服多尺度模型在單個尺度上預測的不足，來自凝固加工國家重點實驗室的Xinxin Sun等人將元胞自動機晶體塑性有限元法和人工神經網絡巧妙地結合起來，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預測模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結構演變，如動態再結晶(DRX)，用于解釋RVE的響應。為了反映應變率、溫度、微觀結構和變形模式對響應的依賴性，對RVE施加了大量恒定和變化的加載路徑。所有的響應(包括力學和微觀結構的響應)形成了一個巨大的數據庫，在此基礎上，通過訓練、驗證、測試和循環優化，建立了具有Marquardt-Levenberg (M-L)算法的反向傳播(BP) ANN模型。人工神經網絡模型的輸出設置為微觀結構演變(包括DRX體積分數和平均晶粒尺寸)和取決于加載路徑和微觀結構的J2-JBOY3樂隊本構模型的動態變化的宏觀尺度參數，然后應用于有限元模型以預測部件的響應。因此，建立了一座橋梁來連接RVE和組件的響應。反過來，部件局部區域的變形歷史也可以應用于RVE，以進一步研究微尺度變形機制和微結構演化。利用跨尺度模型，得到了反映各向異性、拉壓不對稱性、應變率、溫度、微觀結構和變形模式依賴性的結果。它得益于基于物理的CACPFEM、依賴于變形條件和微結構演化的J2-JBOY3樂隊本構模型、優化的ANN模型以及它們的創新組合。優化策略保證了跨尺度預測的準確性。跨尺度模型在旋轉坯料單軸壓縮中的應用以及在新形狀坯料的屈服面預測和鍛造過程中的推廣，表明了該模型的跨尺度預測能力。
圖1 跨尺度模型的框架
跨尺度模型的框架，如圖1所示，該框架基于四個部分和三種優化方法的組合。
CACPFEM用于數據樣本生成:CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形、力學響應和微結構演化之間的相互作用。
展開 內容簡介
該文提出的跨尺度分析方法是基于CERPs的動態微觀力學失效準則。該方法的核心是建立纖維和基體在動態加載條件下的損傷-失效本構關系，實現纖維和基體的RVE模型。如圖1所示，根據跨尺度有限元鉆孔示意圖，整個模擬過程主要分為三個步驟。
圖1 跨尺度有限元鉆孔原理圖
在RVE模型上選取多個參考點來計算纖維和基體的微觀應力。同時，在三個方向和剪切面分別施加不同法線方向和剪切方向的荷載，可以得到相應的應力響應。本研究選取最危險的點來判斷RVE模型在多軸加載下的單元失效，如圖2所示。
圖2 RVE模型和在纖維和基體成分中的相應參考點
如圖3所示，11、22、33、12、23、13分別表示沿X、Y、Z方向的三個單軸拉伸，以及沿Z、X、Y平面的宏觀剪切。
圖3 RVE模型的宏觀應力載荷
圖4a給出了損傷前后纖維受拉和壓縮的應力-應變行為。另外，該文采用Von Mises屈服準則對基體的拉、壓破壞準則進行預測，如圖4 b所示。
圖4 纖維和基體在拉伸和壓縮下的應力-應變行為
圖5為通過VUMAT實現的邏輯算法流程圖，跨尺度數值實現的過程主要分為三個步驟。
圖5 ABAQUS/ Explicit中對跨尺度模型的VUMAT數值算法流程圖
圖6為混合模型的牽引-分離關系圖。
圖6 雙線性內聚模型（混合模式）
圖7a給出了開發的ABAUQS-Python代碼腳本。
圖7 用于計算RVE中SAFs的ABAQUS-Python代碼腳本流程圖
根據文獻中RVE模型的分析結果，可以將RVE各點的微觀應力分布視為SAFs，如圖8和圖9所示。
展開 投影物鏡
惠更斯PSF
波前圖
點列圖
總結
本案例通過 OAS 光學軟件的跨尺度仿真、光機一體化建模及多目標優化功能，成功突破投影物鏡傳統設計的技術瓶頸，實現了像差精準校正、雜散光有效控制與光學性能的綜合提升。相較于傳統設計流程，OAS 的高精度虛擬仿真能力大幅縮短了投影物鏡的研發迭代周期，降低了物理原型制作成本，驗證了方案的可靠性與實用性。該方案為光刻、投影顯示等領域的投影物鏡高精度設計提供了高效的技術支撐，助力高端光學成像系統的研發升級。
OAS 憑借跨尺度仿真、一體化光機建模及全面性能分析能力，可為 DMD 投影燈及同類數字光學系統提供從概念設計到工程驗證的完整解決方案，有效縮短研發周期、提升產品性能與可靠性。
軟件主界面
軟件特色
OAS光學軟件支持從幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，實現幾何光學下的序列與非序列光線追跡，以及波動光學的全維度分析，能夠滿足車燈設計、鏡頭像質評估、微納光學器件、激光應用系統、光波導系統等前沿領域的需求，為客戶提供全面且專業的解決方案。
02/幾何光學
在幾何光學領域，OAS 軟件基于光線追跡核心算法，為光學系統的研究與設計提供了高效、精準的一體化分析手段。
成像設計解決方案
光學軟件為成像系統設計提供從建模、優化到分析的一體化平臺。它支持從基礎透鏡到復雜多重結構系統的建模，可靈活設置孔徑、視場等關鍵參數并進行實時光路預覽。軟件內置優化算法，支持像差自動校正、多配置優化和公差分析，能針對多目標進行自動化迭代優化。在分析方面，軟件提供全面的像質評估工具，包括MTF、點列圖、波前圖等，支持對成像系統的核心性能進行專業評估。
照明與汽車光學解決方案
軟件為照明和車燈設計提供了強大的虛擬仿真與優化功能，能夠進行精準的光學性能與效果分析，完成自動化參數優化與方案驗證。其核心功能完整覆蓋了車燈設計、激光雷達光學系統、抬頭顯示器（HUD）以及內飾氛圍照明等關鍵環節，實現了從光源、光路到分析的全鏈路仿真，從而系統地滿足汽車行業在智能化與個性化趨勢下的光學創新需求。
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跨尺度的最新內容
1.2 行業研發仿真痛點
衍射波導AR HUD跨尺度光學特性顯著，納米級光柵結構與宏觀鏡頭、風擋、波導結構相互耦合，研發過程面臨多重仿真難題：
跨尺度仿真割裂：納米光柵衍射特性與宏觀鏡頭光路無法同步建模分析；
多部件協同難：投影鏡頭、耦合光柵、光波導、車載風擋的光學匹配難以校驗；
真實場景適配弱：無法模擬日光干擾、環境路況、人眼實際視覺感知效果；
性能量化缺失：視場角
? 跨尺度仿真斷裂，多軟件協同效率低下
? 算力瓶頸突出，高維優化陷入 “局部最優”
? 設計 - 制造閉環缺失，量產良率難以保障
03/OAS 助力輕量化，高分辨率成像
（OAS光學軟件主界面）
OAS 光學軟件（點擊詳細介紹）
? 跨尺度耦合仿真，平衡三大核心指標
OAS 軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘
光譜成像技術如何重塑視覺邊界？13天前
</p><p><strong> 結語</strong></p><p>光譜的精細分類不僅揭示了物質與能量的本質聯系，更推動了從微觀粒子到宏觀宇宙的跨尺度探索，每一波段都是自然法則的獨特注腳。人類對光譜的解析，既是對物理規律的解碼，也是技術創新的源泉，光譜技術始終在科學探索與實際應用間架起橋梁。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
? 跨尺度仿真斷層，精度與效率失衡
? 光柵優化與色散分析能力不足
? 雜散光分析與工藝適配不足
? 行業適配性差且缺乏自主可控能力
03/OAS光學軟件精準規避設計陷阱
（OAS光學軟件主界面）
? 跨尺度耦合仿真，平衡三大核心指標
OAS軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真
OAS光學軟件跨尺度仿真來助力28天前
OAS 憑借跨尺度仿真、一體化光機建模及全面性能分析能力，可為 DMD 投影燈及同類數字光學系統提供從概念設計到工程驗證的完整解決方案，有效縮短研發周期、提升產品性能與可靠性。
OAS 憑借跨尺度仿真、光束追跡與矢量場傳播能力，為全息光學、三維成像提供一體化設計仿真平臺，顯著縮短研發周期、降低實驗成本，支撐全息技術工程化落地與性能升級。
軟件跨尺度仿真、智能優化與多維度分析能力，可縮短設計周期、降低實物試制成本，提升系統可靠性與工程適配性，為激光應用領域光學系統研發提供高效、精準的國產工具支撐。
跨尺度耦合算法 (Hybrid Modeling)：
PD-FEM 有限元耦合：實現 PD 區域（處理破壞）與 FEM 區域（提高計算效率）的無縫銜接。
耦合熱傳導分析：針對復雜結構的熱傳導問題，平衡計算精度與速度。
OAS軟件跨尺度仿真來助力1個月前
AR?HUD 衍射波導案例分析
簡介
AR?HUD 衍射波導是車載增強現實顯示的核心光學組件，通過納米級衍射光柵與平面波導協同工作，完成投影光機圖像光束的高效耦入、全反射傳輸、擴瞳與耦出，實現導航、預警等虛擬信息與真實路況的精準疊加，顯著提升駕駛安全性與智能座艙交互體驗。傳統設計依賴多軟件協同與物理迭代，周期長、成本高、精度受限，本案例依托 OAS
