微觀
關注創(chuàng)建者：琳泓comsol 創(chuàng)建時間：2019-07-18
微觀的視頻教程
流體力學遇見深度學習：揭示微觀流動背后的智能力量
直播目的： 理解深度學習在流體力學與滲流建模中的優(yōu)勢與局限； 掌握微觀結構數據處理與多孔介質建模的關鍵技術； 了解Physics-Informed Neural Networks (PINNs)等前沿方法在物理建模中的實際應用； 拓展科研與工程問題中的AI建模思維，提升跨學科解決問題的能力。
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微觀的實例教程
增材制造工藝仿真主要研究：加工參數、粉末、幾何構型等因素對于宏觀變形、殘余應力、部件微觀內部金相組織及性能的影響。
宏觀控形與微觀控性是金屬增材工藝中兩個重要考察指標：
■ 宏觀控形重點關注翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題；
■ 微觀控性需要關注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結構和初始位錯密度等微觀特性，這些將決定金屬件力學性能和特性。
本期專欄，分享3D科學谷結合《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文中的探索，來理解仿真對金屬增材制造微觀控性方面的作用。
微觀的世界，更多挑戰(zhàn)
根據安世亞太，金屬增材制造過程獲得的微觀組織結構將直接影響成型件的性能，獲得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶體組織是金屬增材制造的重要目標。受金屬增材制造復雜過程的影響，晶體的仿真分析也具有相當的難度。[1]
通過宏觀分析或介觀分析得到的溫度場或相變結果數據后，可進一步計算得到熱梯度、固化速率、冷卻速率和形態(tài)因子，這是微觀尺度進行金相組織模擬的輸入參數。[1]
微觀組織數值模擬通常包含確定性方法、概率法和相場法。
■ 確定性方法通常有前沿跟蹤法，概率法則包含蒙特卡羅法和CA法。確定方法和概率方法模擬晶粒生長時都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對三維形貌模擬有一定困難。
■ 相場方法是以金茲堡-朗道理論為基礎，用微分方程體現擴散、有序化勢和熱力學驅動的綜合作用，用統(tǒng)一的控制方程，不必區(qū)分固液相及其界面，能夠直接模擬微觀組織的形成。
展開 1什么是微觀組織結構(Microstructure) ？
當我們描述金屬的結構時，我們應該區(qū)別其晶體結構(Crystal Structure)和微觀組織結構(Microstructure)。晶體結構主要用來表示一個晶胞(Unite cell)內原子的平均位置，它由晶格類型和原子的分數坐標（例如，通過X射線衍射確定）確定。換句話說，晶體結構主要用來在原子尺度描述材料的形貌。相比之下，微觀組織結構是在微米—厘米尺度范圍內描述材料的形貌特征。微觀組織結構的一個合理的定義是：“材料內部相(Phase)和缺陷(Defect)的排布。”
微觀組織結構的觀察可以采用一系列的顯微鏡進行。在不同尺度下觀察一個特定的材料的微觀組織結構特征時通常會發(fā)現差異很大?；谶@一原因，在描述材料的微觀結構時，最重要的是首先確定觀察的尺度范圍。如果尺度范圍選擇不當，就很難得到你想要的結果，也不利于你對材料某些特性的理解和分析。材料微觀組織結構的產生和觀察是一門非常重要的知識，需要認真理解和領會。
隕石的微觀組織結構?
這里需要著重指出，材料的微觀組織結構影響材料的物理特性和行為。我可以通過控制材料的微觀組織結構達到設計材料性能的目的。天然礦物結構可以提供其復雜的歷史信息。微觀組織結構學是所有材料和礦物科學的組成部分。
2還能答出這些微觀組織結構有關的問題嗎 ？
知道“微觀組織結構(Microstructure)”“相(Phase)”“組分(Component)”“缺陷(Defect)”的定義嗎？
鋼的微觀組織結構
您知道如何觀察材料的微觀組織結構嗎？光學顯微鏡的放大倍數和成像原理？普通掃描電子顯微鏡放大倍數和成像原理？
展開 為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分數以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學性能和精沖性能的影響。
精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區(qū)處于較高的三向壓應力狀態(tài)，材料延遲斷裂的時間顯著延長，進而獲得高質量沖裁斷面。與傳統(tǒng)板料沖裁方法相比，精沖工藝條件更為嚴苛，對所用板材的要求也更高。目前，最常用的精沖材料是精沖用低碳鋼板，通常經歷熱軋、冷軋、退火處理等工序得到。
代表性體積單元（RVE)常被用于模擬研究具有多相微觀組織的材料性能，如材料的流動應力曲線、損傷和斷裂特性等力學性能。將RVE模型作為子模型，并結合宏觀有限元模擬得到的某單元位移場變化，構建宏觀—微觀模型，可實現對復雜成形工藝關鍵位置處不同微觀組織變形行為的模擬。
本文通過數值模擬研究了精沖鋼不同的微觀組織對其力學性能和精沖性能的影響。首先，針對球化退火后的滲碳體顆粒直徑、體積分數、分布狀態(tài)以及未退火的珠光體組織，分別建立了不同的RVE模型；其次，對不同微觀組織模型施加拉伸、剪切邊界條件進行數值模擬研究；再次，基于子模型法，在精沖試驗宏觀有限元模型中提取剪切變形區(qū)中心位置單元的位移歷史作為RVE模型的邊界條件，構建宏觀—微觀模型以探究不同微觀組織對精沖性能的影響；最后，通過對比分析模擬所得的子模型單元失效情況與實際精沖試樣的掃描電鏡（SEM)觀察結果，驗證模擬的準確性。
精沖鋼的微觀組織
精沖工藝相同時，精沖材料的性能很大程度上決定了精沖質量。如前所述，精沖用低碳鋼板因原材料、軋制工藝、退火工藝等的差異，導致材料的微觀組織及性能也會存在差異。
展開 概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結構影響。本文檔使用 Ansys 材料設計器展示四種不同類型的微觀結構及其對應的宏觀尺度材料性能：隨機單向纖維結構、體心立方顆粒結構、金剛石晶格結構和編織結構。
目標
理解微觀結構與宏觀尺度材料性能之間的關系
步驟
案例1：隨機單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“材料設計器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創(chuàng)建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創(chuàng)建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設計器中定義微觀結構。選擇隨機單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設置纖維體積分數為0.4，纖維直徑為50μm。創(chuàng)建幾何模型（圖1），并使用默認設置生成網格。
4. 創(chuàng)建一個恒定材料，并求解工程常數。工程常數匯總如圖2所示?？梢杂^察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因為纖維的楊氏模量高于基體，從而增強了縱向剛度。這種微觀結構的典型例子是木材和一些復合材料。
圖1. 隨機單向纖維的 RVE
圖2. 隨機單向纖維結構材料的工程常數
案例2：體心立方結構（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結構 RVE（圖3）。顆粒尺寸設為1nm。生成網格。這種微觀結構是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結構的 RVE
7. 求解工程常數。工程常數概覽如圖 4 所示。
展開 圖1是采用車間正常生產工藝生產球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實驗結果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內，能譜分析認為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
基于前期的研究，苯磺酸受熱氣化進入熔融金屬表面消耗表面層內殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。
b.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結構特征分析
圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。
圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經過標定，該第二相粒子為FCC結構，a≈5.18A。對比標準的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數，并且結合能譜的結果，可知第二相為MgS或(Mg，Mn)xSy粒子。
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概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結構影響。本文檔使用 Ansys 材料設計器展示四種不同類型的微觀結構及其對應的宏觀尺度材料性能：隨機單向纖維結構、體心立方顆粒結構、金剛石晶格結構和編織結構。
目標
理解微觀結構與宏觀尺度材料性能之間的關系
步驟
案例1：隨機單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“材料設計器”組件。檢查單位。
只有經過這樣的處理，鑄鐵的內部微觀結構才能徹和底穩(wěn)定，確保平臺在數十年使用中不會發(fā)生肉眼可見的扭曲。市場上價格低廉的平臺往往省略或縮短了這一工藝，用不了多久就會自然變形。
第和二個是人工刮研。機械加工（如磨削）后的平臺表面在顯微鏡下依然是高低不平的。高精度平臺需要經驗豐富的技師，用特殊的刮刀手工鏟切出微米級的細微表面。
傳統(tǒng)的實驗方法難以從原子尺度揭示富勒烯的形成過程，而基于從頭算（AIMD，Ab Initio Molecular Dynamics）模擬的研究可以在微觀層面直觀展示這一過程，從而為富勒烯的合成提供理論指導。
本案例基于xtb軟件，采用AIMD方法模擬富勒烯的形成過程。
它們通常由特定的微觀結構組成，用于確定光的衍射和分布方式。工程師可以設計這些微米級結構，以實現不同的照明圖案（例如環(huán)形、正方形或十字形）。
精銑后的表面雖然宏觀上平整，但微觀上仍有刀痕。由高和級鉗工使用刮刀，在地軌表面手工刮削出無數個微小的、均勻的接觸點（通常要求每25毫米×25毫米面積內有16-20個點）。這些微小的凹坑既能保證相當高的平面度，又能作為儲油槽，形成潤滑油膜，確保滑動或行走的穩(wěn)定性和精度持久性。這是機器加工無法替代的關鍵步驟。
3.
在工業(yè)無損檢測（NDT）的宏大敘事中，視頻內窺鏡（Videoscope）不僅是物理視界的延伸，更是工業(yè)維護體系中的“神經末梢”，它突破了機械結構的物理壁壘，將檢測人員的視野精準投射至航空發(fā)動機的燃燒室、深埋地下的管道網絡以及精密鑄造件的微觀腔體中。
Ansys Fluent 中的分析顯示了格拉斯哥建筑物周圍的風速
2.通風設計優(yōu)化
宏觀尺度可針對建筑群體（街區(qū)、校園），微觀尺度聚焦單體建筑布局，建立詳細的CFD三維模型，輸入當地氣象數據。 結合不同風況（主風向、風向頻率），精確模擬氣流通過開窗或特定通風系統(tǒng)（如通風塔、雙層幕墻風道）的路徑與流量，評估通風效率、空氣齡、污染物擴散路徑。
將 VPSC 以 VUMAT（用戶材料子程序） 的形式集成進 Abaqus，能實現“1+1 > 2”的效果，例如宏微觀耦合： 每一個有限元積分點都代表一個多晶集合。有限元計算宏觀應變，VPSC 在微觀層面計算晶體旋轉和硬化，再反饋回宏觀應力。非均勻場預測：你不僅能看到工件的整體變形，還能清晰地觀察到厚度方向、圓周方向上織構分布的異質性。
自 1990 年代 Moulinec 和 Suquet 提出基于 FFT 的線性解析法以來，譜方法憑借其無需網格劃分、直接處理微觀圖像的優(yōu)勢，迅速成為挑戰(zhàn)傳統(tǒng)有限元法（FEM）的利器。
然而，早期的 FFT 框架大多局限于剛塑性或線性彈性。2012 年，Ricardo A.
換句話說，它可以同時分析宏觀應力變化、微觀滑移活動、織構演化、局部應變集中和熱軟化機制。因此，它比普通經驗型熱塑性模型更適合用于多晶材料溫成形模擬。
作者首先利用 AA5754 鋁合金在 25 ℃、148 ℃、204 ℃ 和 232 ℃ 下的單軸拉伸實驗數據標定溫度相關硬化參數。隨后，又預測了 177 ℃ 和 260 ℃ 下的拉伸響應。
