微觀尺度
關注創建者：ChengWei（Klein） 創建時間：2021-09-29
微觀尺度的實例教程
然而，由于復雜的物理性質和微觀效應，從原子尺度到微觀尺度的探究對界面熱運輸的原理仍然知之甚少。
隨著界面密度的增加，熱運輸不僅取決于材料本身的特性，還取決于熱界面的條件。在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
展開 在宏觀尺度和微觀尺度上，材料具有不同的去除機制，這使得過程變量對工件表面質量和刀具壽命的影響和過程變量的影響因素有顯著差異。
有限元法被認為是一種切削過程中預測過程變量、揭示微觀物理現象、深入研究切削機理的有效方法。因此，運用有限元仿真對宏觀和微觀尺度切削過程進行研究，區分宏觀和微觀過程變量有限元仿真模型的差異，進而提高宏觀和微觀尺度有限元仿真的精度、工件表面質量和刀具壽命是必要的。有限元仿真模型的可靠性和有效性很大程度取決于仿真方法、本構模型、摩擦模型和損傷模型對網格單元、材料的動態力學行為、刀具-切屑-工件接觸過程和切屑的形成機制描述的準確性。建立更符合真實切削情況的有限元仿真模型，可以為優化切削過程變量和工藝參數提供參考。
因此，針對不同材料和加工方式，對宏觀和微觀過程變量和材料去除機制預測的有限元仿真進展進行了綜述，如圖1所示。同時，討論了金屬切削過程有限元仿真的研究和發展方向，為未來的建模方向提供了指導。
圖1 文章框架
二、主要內容
分別從仿真模型的建立、宏觀工藝變量仿真模型、微切削過程仿真模型和有限元仿真的擴展等四部分進行了綜述，如圖2所示。
圖2 文章的主要框架
1）系統介紹了仿真方法，材料的本構模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用條件和預測精度，為建立符合真實切削狀態的有限元模型提供依據。
a）對比了各種仿真方法對切屑形態、切削力殘余應力等仿真結果的準確性。
展開 微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產生
裂紋擴展
主要原因在于金屬增材制造涉及到材料受熱熔化、熔池流動凝固、微觀組織形成和內應力/應變演化等，是一個十分復雜的多尺度多物理場耦合過程，冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規律、零件翹曲變形與開裂預測、表面質量和成形尺寸精度控制等基礎問題尚未得到完全突破。單純依靠試驗測試技術開展增材制造過程中的微觀尺度觀測，存在著穩定性/可重復性差、分辨率/可觀測區域受限等不足，同時由于工藝所涉及參數量巨大，使得“試錯法”探究最優工藝參數窗口存在效率低、周期長和代價高昂等缺點。
近年來，數值模擬技術的發展為金屬增材制造復雜物理過程的深入理解和工藝條件優化提供了有力工具。金屬增材制造數值模擬技術主要分為微觀尺度模擬與宏觀尺度模擬兩大類，前者旨在揭示金屬增材制造缺陷形成機理與微觀組織演化規律，相關研究工作集中在高校;而后者則聚焦于預測金屬增材制造零件的殘余應力與翹曲變形，目前已經被多個商用增材制造模擬軟件所集成，可有效提升工程零件的一次打印成功率。
圖1 金屬增材制造技術原理
微觀尺度模擬
本質上，金屬增材制造是原料在移動熱源的作用下，按預定的逐層逐道掃描順序，依次由固態（粉末、絲材）轉化為液態（熔池），再轉化為固態（零件）的過程。采用高保真的數值模擬方法對上述過程進行微觀尺度仿真，是揭示金屬增材制造缺陷形成機理、優化工藝參數的關鍵手段。根據所研究物理問題側重點的不同，金屬增材制造的微觀尺度模擬方法可大致分為熱-流耦合、熱-固耦合和熱-流-固耦合3類，如圖2所示。
熱-流耦合
熱-流耦合模擬方法關注熔池內熔融金屬的流動和傳熱過程,不考慮其中所涉及的固體力學問題，通常采用有限體積法、任意拉格朗日-歐拉法和格子玻耳茲曼法等進行求解。
展開 精沖用碳鋼常見的三類微觀組織如圖1所示，包括球化退火組織、含碳化物帶的組織和未退火含珠光體的組織。在后文的建模過程中，統一將碳化物簡化為滲碳體，而不再考慮其他碳化物的影響。
圖1 精沖用鋼C15E
基于精沖鋼微觀組織的多尺度模擬
通過數值模擬研究不同微觀組織特征對材料性能的影響是目前精沖成形研究的一大熱點，越來越多的模擬研究傾向于將宏觀有限元模型和微觀組織模型（如代表體積元RVE模型)結合，以對實際宏觀成形過程中的特征變形區域構建局部的微觀組織模擬。
宏微觀建模
根據精沖試驗中模具的實際尺寸在ABAQUS/Explicit中建立二維宏觀有限元模型，如圖2a所示，以獲得關鍵區域的變形情況。精沖變形主要集中在間隙處的剪切區域，因此對該區域進行網格加密處理。此外，對剪切區域除中心一層單元以外的單元運用ALE自適應網格的方法，防止網格畸變。中心區域的一層單元將以正常的拉格朗日模式變形，有限元軟件記錄單元節點的位移變化。
圖2 多尺度精沖有限元模型
RVE建模方法有兩種：一種是利用軟件生成理想化退火態的球形碳化物顆粒—鐵素體基體RVE模型，另一種是基于真實的金相組織建立珠光體—鐵素體RVE模型，如圖2b所示。
微觀組織建模
⑴理想化退火態微觀組織RVE模型。
上文提及的兩種RVE模型建模方法，同樣適用于純微觀模擬研究，區別僅在于模型的邊界條件。若對RVE模型施加拉伸或剪切邊界條件，可分析材料不同的微觀組織對拉伸或剪切性能的影響。在冷軋鋼的退火態微觀組織中，滲碳體近似于球狀顆粒，或隨機或以碳化物帶的形式分布在鐵素體基體中。因此建立的二維RVE模型將滲碳體等效為圓形的第二相顆粒，利用軟件直接生成不同直徑、不同體積分數或不同分布狀態的球狀顆粒。在純微觀模擬研究中，考慮到球狀滲碳體的實際尺寸，將RVE模型整體尺寸設為20μm×20μm。
展開 
微觀尺度的最新內容
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，創建一個“材料設計器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創建一種基體材料，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。
Ansys Fluent 中的分析顯示了格拉斯哥建筑物周圍的風速
2.通風設計優化
宏觀尺度可針對建筑群體（街區、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（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。
基于UMAT的蠕變變形仿真16天前
仿真方法
目前對于金屬的力學行為研究，越來越多的學者從微觀尺度入手，像晶體塑性力學等就是典型代表，滑移、位錯等理論也成為研究材料失效或者性能下降的重要工具。
相比于宏觀唯象模型，這類微觀模型當然更具有物理意義，也更先進，能解釋很多現象。但是當下的研究生培養方式，使得很多學生進入一個領域后，過早的集中在某個點的研究，而未形成對該領域有效的、可靠的認知。
而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
嚴重不符
微懸臂梁越薄，表觀剛度越大
彈性模量為材料常數
? 完全失效
裂紋尖端實際存在斷裂過程區（FPZ）
裂紋尖端應力無限大
? 非物理
這些現象表明，當結構特征尺寸（孔徑、裂紋長度、梁厚度）與材料的特征微觀尺度
整體表現為軟化
六、理論意義與工程價值
與傳統高階理論的對比
特征Mindlin應變梯度理論新理論（均質化應變能）尺度參數
多個
1個（RVE尺寸 h）
物理意義
擬合參數
明確的微觀結構尺度
本文原刊登于Ansys.com：《Ansys and Schr?dinger Partner to Enable Multiscale Simulation》
作者：Adarsh Chaurasia | Ansys高級應用工程師
編輯整理：鄭偉巍 | Ansys高級應用工程師
通過納米、微觀和宏觀尺度的仿真，產品開發團隊可以將設計優化提升到全新水平
隨著產品開發團隊面臨日益復雜的挑戰
4.能源化工：微觀尺度的多尺度耦合
在石油及能源化工分論壇里，有個關于氫燃氣輪機的研究很有代表性。
技術細節：氫氣滲透導致的高溫合金（GH3536）氫脆問題。這個議題直接下沉到了微觀組織（晶格、相界面）的擴散模擬。
趨勢：宏觀設備仿真+微觀材料第一性原理計算的結合，這種多尺度耦合建模在能源行業（特別是氫能）越來越重要了？
Digimat 軟件操作界面截圖
在微觀尺度表征上，Digimat-MF 模塊通過代表性體積單元（RVE）方法，能夠精確預測復合材料的局部應力 / 應變場。以碳纖維 / 環氧樹脂體系為例，該模塊展現出極高的建模精度。在工藝仿真方面，Digimat-MAP 模塊可模擬注塑、RTM 等成型工藝對最終性能的影響。
