微觀尺度的案例
通過(guò)模擬分析揭示微觀尺度聲子對(duì)Si-Ge界面熱阻的影響
然而，由于復(fù)雜的物理性質(zhì)和微觀效應(yīng)，從原子尺度到微觀尺度的探究對(duì)界面熱運(yùn)輸?shù)脑砣匀恢跎佟?隨著界面密度的增加，熱運(yùn)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(guān)鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復(fù)雜性，如原子結(jié)構(gòu)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(lái)，在界面熱輸運(yùn)理論和模擬方面取得了許多進(jìn)展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來(lái)預(yù)測(cè)界面聲子散射，沒(méi)有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對(duì)界面熱輸運(yùn)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(shù)(AGF)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對(duì)界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對(duì)模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國(guó)匹茲堡大學(xué)Sangyeop Lee教授團(tuán)隊(duì)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(duì)界面總熱阻的綜合影響。
利用動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(MC)技術(shù)求解了半無(wú)限長(zhǎng)Si和Ge引線界面上聲子輸運(yùn)的穩(wěn)態(tài)Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程。此外，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了聲子-聲子散射產(chǎn)生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產(chǎn)生的熱阻。通過(guò)使用Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于界面散射直接引起的阻力。
展開(kāi) 金屬切削過(guò)程宏觀和微觀尺度有限元仿真進(jìn)展
在宏觀尺度和微觀尺度上，材料具有不同的去除機(jī)制，這使得過(guò)程變量對(duì)工件表面質(zhì)量和刀具壽命的影響和過(guò)程變量的影響因素有顯著差異。
有限元法被認(rèn)為是一種切削過(guò)程中預(yù)測(cè)過(guò)程變量、揭示微觀物理現(xiàn)象、深入研究切削機(jī)理的有效方法。因此，運(yùn)用有限元仿真對(duì)宏觀和微觀尺度切削過(guò)程進(jìn)行研究，區(qū)分宏觀和微觀過(guò)程變量有限元仿真模型的差異，進(jìn)而提高宏觀和微觀尺度有限元仿真的精度、工件表面質(zhì)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(gòu)模型、摩擦模型和損傷模型對(duì)網(wǎng)格單元、材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、刀具-切屑-工件接觸過(guò)程和切屑的形成機(jī)制描述的準(zhǔn)確性。建立更符合真實(shí)切削情況的有限元仿真模型，可以為優(yōu)化切削過(guò)程變量和工藝參數(shù)提供參考。
因此，針對(duì)不同材料和加工方式，對(duì)宏觀和微觀過(guò)程變量和材料去除機(jī)制預(yù)測(cè)的有限元仿真進(jìn)展進(jìn)行了綜述，如圖1所示。同時(shí)，討論了金屬切削過(guò)程有限元仿真的研究和發(fā)展方向，為未來(lái)的建模方向提供了指導(dǎo)。
圖1 文章框架
二、主要內(nèi)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(guò)程仿真模型和有限元仿真的擴(kuò)展等四部分進(jìn)行了綜述，如圖2所示。
圖2 文章的主要框架
1）系統(tǒng)介紹了仿真方法，材料的本構(gòu)模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用條件和預(yù)測(cè)精度，為建立符合真實(shí)切削狀態(tài)的有限元模型提供依據(jù)。
a）對(duì)比了各種仿真方法對(duì)切屑形態(tài)、切削力殘余應(yīng)力等仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
展開(kāi) 微觀宏觀多尺度模擬
微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產(chǎn)生
裂紋擴(kuò)展
金屬增材制造數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)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(dòng)凝固、微觀組織形成和內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變演化等，是一個(gè)十分復(fù)雜的多尺度多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，冶金缺陷形成機(jī)理、微觀組織演化規(guī)律、零件翹曲變形與開(kāi)裂預(yù)測(cè)、表面質(zhì)量和成形尺寸精度控制等基礎(chǔ)問(wèn)題尚未得到完全突破。單純依靠試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)開(kāi)展增材制造過(guò)程中的微觀尺度觀測(cè)，存在著穩(wěn)定性/可重復(fù)性差、分辨率/可觀測(cè)區(qū)域受限等不足，同時(shí)由于工藝所涉及參數(shù)量巨大，使得“試錯(cuò)法”探究最優(yōu)工藝參數(shù)窗口存在效率低、周期長(zhǎng)和代價(jià)高昂等缺點(diǎn)。
近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為金屬增材制造復(fù)雜物理過(guò)程的深入理解和工藝條件優(yōu)化提供了有力工具。金屬增材制造數(shù)值模擬技術(shù)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(jī)理與微觀組織演化規(guī)律，相關(guān)研究工作集中在高校;而后者則聚焦于預(yù)測(cè)金屬增材制造零件的殘余應(yīng)力與翹曲變形，目前已經(jīng)被多個(gè)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(shù)原理
微觀尺度模擬
本質(zhì)上，金屬增材制造是原料在移動(dòng)熱源的作用下，按預(yù)定的逐層逐道掃描順序，依次由固態(tài)（粉末、絲材）轉(zhuǎn)化為液態(tài)（熔池），再轉(zhuǎn)化為固態(tài)（零件）的過(guò)程。采用高保真的數(shù)值模擬方法對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行微觀尺度仿真，是揭示金屬增材制造缺陷形成機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵手段。根據(jù)所研究物理問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)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(guān)注熔池內(nèi)熔融金屬的流動(dòng)和傳熱過(guò)程,不考慮其中所涉及的固體力學(xué)問(wèn)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(jìn)行求解。
展開(kāi) 
精沖鋼微觀組織對(duì)其力學(xué)性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
精沖用碳鋼常見(jiàn)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(guò)程中，統(tǒng)一將碳化物簡(jiǎn)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(guò)數(shù)值模擬研究不同微觀組織特征對(duì)材料性能的影響是目前精沖成形研究的一大熱點(diǎn)，越來(lái)越多的模擬研究?jī)A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(jié)合，以對(duì)實(shí)際宏觀成形過(guò)程中的特征變形區(qū)域構(gòu)建局部的微觀組織模擬。
宏微觀建模
根據(jù)精沖試驗(yàn)中模具的實(shí)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(guān)鍵區(qū)域的變形情況。精沖變形主要集中在間隙處的剪切區(qū)域，因此對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。此外，對(duì)剪切區(qū)域除中心一層單元以外的單元運(yùn)用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格的方法，防止網(wǎng)格畸變。中心區(qū)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(jié)點(diǎn)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(tài)的球形碳化物顆粒—鐵素體基體RVE模型，另一種是基于真實(shí)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(tài)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(qū)別僅在于模型的邊界條件。若對(duì)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(duì)拉伸或剪切性能的影響。在冷軋鋼的退火態(tài)微觀組織中，滲碳體近似于球狀顆粒，或隨機(jī)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?jǐn)?shù)或不同分布狀態(tài)的球狀顆粒。在純微觀模擬研究中，考慮到球狀滲碳體的實(shí)際尺寸，將RVE模型整體尺寸設(shè)為20μm×20μm。
展開(kāi) 數(shù)字巖心三維重建及滲流仿真 ￥3000
一直以來(lái)數(shù)值模擬就是研究巖石滲流性質(zhì)的重要方法,通過(guò)模擬巖石中流體的運(yùn)動(dòng)和分布狀態(tài),來(lái)確定各種流體在巖石中的絕對(duì)滲透率和相對(duì)滲透率,研究微觀尺度的滲流機(jī)理,為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù).利用數(shù)值模擬方法可以減少實(shí)驗(yàn)室滲流實(shí)驗(yàn),省時(shí)省力且直觀準(zhǔn)確.目前,滲流數(shù)值模擬的方法眾多,從宏觀和微觀兩個(gè)尺度都可以,宏觀尺度的模擬主要是求解一系列微分方程來(lái)來(lái)確定巖石中流體的流速場(chǎng);而微觀尺度的模擬主要有兩種思路,一種是以整體數(shù)字巖心為基礎(chǔ),考慮邊界條件,采用有限元,格子玻爾茲曼等方法來(lái)確定巖石滲流性質(zhì),另一種是先建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,采用孔隙級(jí)流動(dòng)模擬理論和方法進(jìn)行流動(dòng)模擬并獲得巖石的滲流參數(shù).
孔隙級(jí)的滲流數(shù)值模擬是研究巖心滲流的重要方法,隨著近年來(lái) CT掃描等微觀成像和數(shù)字巖心的發(fā)展,滲流模擬研究能更好的貼近真實(shí)微觀結(jié)構(gòu),而孔隙網(wǎng)絡(luò)模型長(zhǎng)久以來(lái)就是研究孔隙級(jí)滲流的基礎(chǔ)。
本篇文檔通過(guò)掃描電鏡SEM方法獲取了高精度的二維圖片，基于FIB連續(xù)切片掃描數(shù)據(jù)，采用MIMICS三重構(gòu)軟件對(duì)數(shù)字巖心進(jìn)行了重構(gòu)，反應(yīng)了真實(shí)的數(shù)字巖心的形貌，并獲得了局部聯(lián)通的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。采用COMSOL軟件進(jìn)行了微觀滲流的模擬。
三維重建模型如圖所示：
滲流流線分析結(jié)果如圖所示：
展開(kāi) 臺(tái)式掃描電鏡：微觀尺度形貌觀測(cè)和分析利器
例如，在材料科學(xué)中，搭配二次電子探頭和背散射電子探頭，結(jié)合高分辨率成像功能，可以清晰地觀察到材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，搭配適合生物樣本的探頭，利用自動(dòng)調(diào)節(jié)功能確保成像質(zhì)量，從而更好地觀察生物樣本的微觀特征。
基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現(xiàn)象模擬（原創(chuàng)案例賞析，如轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處）
分析類型：基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現(xiàn)象模擬
分析平臺(tái)：ANSYS17
技術(shù)難點(diǎn)：損傷力學(xué) GTN模型 拉伸頸縮
關(guān)鍵詞：損傷力學(xué) GTN模型 拉伸頸縮 孔洞生長(zhǎng)和聚合
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專家
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術(shù)背景：延性金屬的微觀損傷
工程意義：金屬損傷
研究對(duì)象：金屬圓桿
模擬過(guò)程：金屬材料拉伸頸縮現(xiàn)象模擬
GTN模型的適用范圍：延性金屬
微觀尺度的孔洞形核 生長(zhǎng)和聚合模型
孔洞的演化方程
微觀塑性應(yīng)變的演化方程
孔洞的形核有兩種：應(yīng)力和應(yīng)變
GTN模型的屈服準(zhǔn)則
單元建模：
采用軸對(duì)稱
金屬干的軸對(duì)稱模型
GTN模型的材料定義
分析類型：靜力分析，（動(dòng)態(tài)分析還沒(méi)有做，后續(xù)做出來(lái)再show一下）
邊界條件：下端固定，上端施加位移
計(jì)算結(jié)果
基于GTN損傷模型的延性金屬拉伸頸縮現(xiàn)象模擬
載荷位移曲線
后續(xù)可進(jìn)一步的研究：
1、基于GTN的動(dòng)態(tài)損傷、斷裂分析和裂紋擴(kuò)展研究
2、動(dòng)力學(xué)的GTN模型分析
作者說(shuō)明：
ANSYS采用GTN的本構(gòu)，利用宏觀的有限元方法實(shí)現(xiàn)模擬微觀尺度的延性金屬的損傷過(guò)程，但無(wú)法顯示孔洞的形核 生長(zhǎng) 聚合甚至裂紋形成等微尺度信息，但可以從宏觀角度以較少的計(jì)算費(fèi)用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷分析，相比于分子動(dòng)力學(xué)，這個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。
另外分享一個(gè)基于分子動(dòng)力學(xué)（MD)的金屬拉伸的孔洞形核、生長(zhǎng)和聚合的數(shù)值仿真案例
展開(kāi) JMCA：中科院杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出形狀記憶微陣列！
前期研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)形狀記憶材料所在環(huán)境溫度，可實(shí)現(xiàn)材料的可控拉伸形變，且在外力撤銷后仍可維持良好宏觀形變，該研究結(jié)果為解決上述問(wèn)題提供了新策略，然而微觀尺度的形變特性如何仍有待探索。
在前期研究基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步探索了形狀記憶材料在微觀尺度上的形狀記憶特性。研究團(tuán)隊(duì)采用形狀記憶材料制備形狀記憶微陣列（圖1），發(fā)現(xiàn)僅需較小程度拉伸（60%），即可實(shí)現(xiàn)該微陣列材料較大表面浸潤(rùn)特性改變（21°），且在10次以上可控浸潤(rùn)特性循環(huán)改變后，微觀結(jié)構(gòu)的形狀回復(fù)率仍高達(dá)91%（圖2）。
圖1 不同形貌的形狀記憶微柱陣列結(jié)構(gòu)在拉伸至20%，40%及60%后的形貌連續(xù)可控變化，及在外力撤銷后形變維持
圖2 形狀記憶微柱陣列可控拉伸形變后表面浸潤(rùn)特性改變及微結(jié)構(gòu)形貌改變
更重要的是，采用一個(gè)形狀記憶微陣列結(jié)構(gòu)作為模具，通過(guò)不同程度拉伸，可復(fù)制出一系列連續(xù)形變微陣列結(jié)構(gòu)（圖3）。相關(guān)成果不僅為液滴浸潤(rùn)特性調(diào)控提供了全新方案，而且也實(shí)現(xiàn)了多樣化微結(jié)構(gòu)陣列的批量、低成本可控復(fù)制，有望促進(jìn)微陣列結(jié)構(gòu)在抗生物粘附、液滴操控、智能干膠等方向?qū)嶋H應(yīng)用。
圖3 采用不同形貌與拉伸程度的形狀記憶微柱陣列復(fù)制出來(lái)的PDMS微陣列
來(lái)源： 杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)
展開(kāi) 利用lammps模擬不同預(yù)制裂紋對(duì)單晶鋁的力學(xué)性能的影響
關(guān)鍵詞：lammps模擬，裂紋擴(kuò)展，拉伸，單晶鋁，ovito
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向微觀物體。由于納米晶體金屬及合金材料具有優(yōu)越的物理、化學(xué)、力學(xué)特性，越來(lái)越受到人們的重 視，但是材料的缺陷嚴(yán)重影響著人們的安全，所以研究裂紋的擴(kuò)展機(jī)制成為一項(xiàng)重要的研究課題。 由于裂紋擴(kuò)展在原子尺度上進(jìn)行，目前傳統(tǒng)的宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿足材料微觀尺度變形機(jī)理的研究。近幾十年來(lái)，分子動(dòng)力學(xué)方法作為一種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，解決了由大量原子組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，它能夠揭示在微觀尺度下材料的變形和斷裂的實(shí)質(zhì)過(guò)程。尤其近幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展也為研究裂紋擴(kuò)展提供了可能。
為了深入研究單晶鋁在裂紋存在時(shí)的行為，建立了兩種三維單晶鋁帶有預(yù)制初始裂紋的模型。這兩種模型是基于單晶鋁的嚴(yán)格面心立方晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其中晶格常數(shù)a被設(shè)定為0.405 nm，這是鋁在室溫下的典型晶格尺寸。采用可視化分析處理軟件ovito對(duì)編程得到的原子坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具體模型如圖a、b所示：
圖(a)和圖(b)分別為帶有不同裂紋的單晶鋁初始模型，使用顏色將模型簡(jiǎn)單分區(qū)，在黃色區(qū)域加載Z方向正向載荷拉伸，考慮拉伸過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展情況。兩種模型的大小、尺寸相同，使用相同的EAM勢(shì)函數(shù)進(jìn)行單向載荷加載，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線、楊氏模量及屈服應(yīng)力如圖所示：
首先，圖(c)和圖(D)分別展示了基于圖(a)和圖(b)模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這兩條曲線直觀地反映了材料在受到外力作用下的力學(xué)響應(yīng)。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中我們可以看出，盡管兩種模型具有不同的初始裂紋形態(tài)，但它們對(duì)單晶鋁的屈服應(yīng)力影響并不顯著。這意味著在裂紋擴(kuò)展之前，材料的彈性變形階段和屈服點(diǎn)附近的力學(xué)行為是相似的，裂紋形態(tài)并不是決定屈服應(yīng)力的主要因素。
展開(kāi) 納米力學(xué)表征3D打印鈦及鈦鋁合金的應(yīng)用
對(duì)于TiAl/Ti2AlNb梯度材料，他們采用高速納米壓痕技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式研究了TiAl/Ti2AlNb合金之間過(guò)渡區(qū)在亞微米長(zhǎng)度尺度上微觀結(jié)構(gòu)/相與H和E之間的關(guān)系。研究結(jié)果如下：（1）Ti2AlNb/TiAl過(guò)渡區(qū)可分為三層。(2)H和E與過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)/相之間具有良好的相關(guān)性。從Ti2AlNb到Layer I，H和E逐漸增加；從Layer I到γ-TiAl，H和E逐漸降低。（3）過(guò)渡區(qū)內(nèi)，維氏硬度趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)及計(jì)算所得平均納米硬度趨勢(shì)一致，不同相對(duì)過(guò)渡區(qū)內(nèi)H和E的貢獻(xiàn)遵循混合法則。
△圖3. (a) TiAl/Ti2AlNb梯度材料激光增材制造示意圖。(b)低倍BSE圖像，顯示了Ti2AlNb基板和γ-TiAl之間的三個(gè)過(guò)渡層（Layer I，II和III）。(c) 過(guò)渡區(qū)內(nèi)納米硬度演變圖
因此，高速高通量納米壓痕技術(shù)與先進(jìn)的微觀組織結(jié)構(gòu)表征技術(shù)相結(jié)合，可以為研究多相多組元結(jié)構(gòu)材料的跨尺度力學(xué)行為提供新的機(jī)會(huì)。同時(shí)，對(duì)研究微觀尺度下材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供契機(jī)，進(jìn)而對(duì)3D打印材料的過(guò)程設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
作者介紹
鄒宇：現(xiàn)任職于加拿大多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授并擔(dān)任加拿大CIM冶金與材料學(xué)會(huì)(MetSoc)材料技術(shù)分會(huì)主席。其分別于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程系獲學(xué)士學(xué)位，加拿大麥吉爾大學(xué)材料工程系獲碩士學(xué)位，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院材料系獲博士學(xué)位，獲JSPS資助到日本京都大學(xué)機(jī)械系訪問(wèn)半年，于美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)械系博士后出站。
目前，鄒宇教授在加拿大多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系帶領(lǐng)的 “極端力學(xué)與增材制造課題組”研究和探索具有超常力學(xué)性能的材料以及材料在極端條件下的力學(xué)行為和加工制造。其研究領(lǐng)域涉及金屬、力學(xué)和制造, 跨多個(gè)時(shí)間和空間尺度。其主要研究方向包括高熵合金、納米力學(xué)和金屬增材制造。
展開(kāi) 
一類非局部GTN模型------考慮應(yīng)變梯度效應(yīng)GTN模型
然而，當(dāng)材料的尺寸減小到與其微結(jié)構(gòu)大小相同的數(shù)量級(jí)時(shí)，傳統(tǒng)模型就不再適用，因?yàn)?em>微觀結(jié)構(gòu)的影響變得更加顯著。
應(yīng)變梯度模型引入了一個(gè)額外的應(yīng)變梯度項(xiàng)來(lái)描述材料的非局部行為。這個(gè)梯度項(xiàng)捕捉了在微觀尺度上材料應(yīng)變的變化率。
相對(duì)于傳統(tǒng)塑性模型，應(yīng)變梯度塑性模型的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在
更準(zhǔn)確地描述納米尺度下的材料行為。在納米尺度下，材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)行為有著重要的影響。傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型無(wú)法很好地描述這種非局部行為，而應(yīng)變梯度模型通過(guò)引入應(yīng)變梯度項(xiàng)，可以更準(zhǔn)確地描述納米材料的力學(xué)行為。
提高了預(yù)測(cè)材料性質(zhì)的能力。應(yīng)變梯度模型可以更好地捕捉材料的微觀尺度下的非局部效應(yīng)，從而提高了模型預(yù)測(cè)材料力學(xué)性質(zhì)的能力。
可以揭示材料行為的新特性。應(yīng)變梯度模型可以更好地描述納米材料的強(qiáng)度、韌性、斷裂行為等特性，從而有助于揭示材料行為的新特性和機(jī)制。
為納米加工和納米器件設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。應(yīng)變梯度模型可以幫助人們更好地理解納米材料的力學(xué)行為，從而為納米加工和納米器件設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。例如，在設(shè)計(jì)納米器件時(shí)，需要考慮材料的強(qiáng)度、韌性等特性，應(yīng)變梯度模型可以幫助人們更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這些特性，從而指導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
在過(guò)去的幾十年中，應(yīng)變梯度模型得到了不斷的發(fā)展和完善。其中一個(gè)重要的進(jìn)展是基于變分原理的應(yīng)變梯度模型，這種方法可以更好地處理材料的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用。另外，還有一些新的應(yīng)變梯度模型被提出，如擴(kuò)散應(yīng)變梯度模型、自適應(yīng)應(yīng)變梯度模型等，這些模型更加復(fù)雜，可以更好地描述納米材料的非局部行為。
除了理論方面的發(fā)展，應(yīng)變梯度模型在實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用也得到了大力推廣。通過(guò)納米壓痕、納米拉伸等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以直接測(cè)量材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，從而驗(yàn)證和完善應(yīng)變梯度模型。
展開(kāi) 為什么經(jīng)典斷裂力學(xué)算不準(zhǔn)？——從"無(wú)限尖裂紋"到"真實(shí)物理過(guò)程"的范式轉(zhuǎn)變
經(jīng)典斷裂力學(xué)假設(shè)裂紋尖端是數(shù)學(xué)上的"無(wú)限尖點(diǎn)"，導(dǎo)致應(yīng)力/應(yīng)變出現(xiàn)非物理的奇異性，且完全忽略缺陷尺度對(duì)承載能力的影響。新理論通過(guò)"均勻化能量密度"框架，證明裂紋尖端變形實(shí)際上是非奇異的，并能客觀預(yù)測(cè)缺陷尺寸效應(yīng)，為準(zhǔn)脆性材料的極限承載能力評(píng)估提供了物理上一致的方法。
一、經(jīng)典斷裂力學(xué)的"阿喀琉斯之踵"
1.1 數(shù)學(xué)尖點(diǎn) vs 物理現(xiàn)實(shí)
1913年，Inglis分析了含裂紋無(wú)限大板的應(yīng)力集中問(wèn)題，奠定了線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）的基礎(chǔ)。其核心假設(shè)是：裂紋尖端是數(shù)學(xué)上的尖點(diǎn)（半徑為零）。
這個(gè)假設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)重的物理矛盾：
應(yīng)力奇異性：根據(jù)LEFM，裂紋尖端的應(yīng)力隨 發(fā)散，理論上趨于無(wú)窮大，裂紋擴(kuò)展將無(wú)任何阻力應(yīng)變奇異性：位移梯度在尖端處同樣發(fā)散
1.2 無(wú)法解釋的"尺寸效應(yīng)"
經(jīng)典理論的另一個(gè)致命缺陷是無(wú)法考慮缺陷尺度對(duì)承載能力的影響：
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)經(jīng)典理論預(yù)測(cè)矛盾小孔試樣的斷裂強(qiáng)度顯著高于大孔試樣
應(yīng)力集中系數(shù)恒為3，與孔徑無(wú)關(guān)
? 嚴(yán)重不符
微懸臂梁越薄，表觀剛度越大
彈性模量為材料常數(shù)
? 完全失效
裂紋尖端實(shí)際存在斷裂過(guò)程區(qū)（FPZ）
裂紋尖端應(yīng)力無(wú)限大
? 非物理
這些現(xiàn)象表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)特征尺寸（孔徑、裂紋長(zhǎng)度、梁厚度）與材料的特征微觀尺度（晶粒尺寸、骨料粒徑、高分子鏈尺度）相當(dāng)時(shí)，經(jīng)典理論徹底失效。
展開(kāi) 綠色氫能仿真測(cè)試解決方案合集 I 電化學(xué)、燃料電池、輸氫管道、天然氣、Star-CCM+...
我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍處于成長(zhǎng)期，還存在很多亟待解決的問(wèn)題，如膜電極材料及制備工藝，氫脆現(xiàn)象，系統(tǒng)集成等
氫能源仿真測(cè)試系列直播
本次研討會(huì)整合西門子綠色氫能行業(yè)的仿真測(cè)試解決方案，5個(gè)專題報(bào)告覆蓋
電化學(xué)、催化、燃燒反應(yīng)微觀尺度，PEM膜、
氣體擴(kuò)散層介觀尺度到電解工廠系統(tǒng)
、
輸氫管道布局
的
宏觀尺度，涉及
Amesim
、
Flomaster
、
STAR-CCM+
等軟件，通過(guò)
案例介紹加軟件操作演示
的方式，介紹西門子對(duì)上述難題的思考。
一起探索綠氫行業(yè)的無(wú)限可能！
直播日程表
直播內(nèi)容
☆第一期 Simcenter氫能仿真解決方案
Simcenter 是西門子為設(shè)計(jì)研發(fā)打打造仿真和測(cè)試平臺(tái)
直播內(nèi)容：介紹 Simcenter 在綠氫制備、氫儲(chǔ)運(yùn)、氫利用環(huán)節(jié)的仿真解決方案，覆蓋電化學(xué)、催化、燃燒反應(yīng)微觀尺度，PEM膜、氣體擴(kuò)散層介觀尺度到電解工廠系統(tǒng)、輸氫管道布局的宏觀尺度等應(yīng)用案例。
展開(kāi) IJP：從RVE到組件的跨尺度預(yù)測(cè)
在復(fù)雜的力學(xué)和熱場(chǎng)下宏觀變形和微觀結(jié)構(gòu)演變的整體預(yù)測(cè)對(duì)于定制部件的預(yù)期形狀和性能是至關(guān)重要的。為了克服多尺度模型在單個(gè)尺度上預(yù)測(cè)的不足，來(lái)自凝固加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Xinxin Sun等人將元胞自動(dòng)機(jī)晶體塑性有限元法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巧妙地結(jié)合起來(lái)，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預(yù)測(cè)模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結(jié)構(gòu)演變，如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)，用于解釋RVE的響應(yīng)。為了反映應(yīng)變率、溫度、微觀結(jié)構(gòu)和變形模式對(duì)響應(yīng)的依賴性，對(duì)RVE施加了大量恒定和變化的加載路徑。所有的響應(yīng)(包括力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng))形成了一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)訓(xùn)練、驗(yàn)證、測(cè)試和循環(huán)優(yōu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出設(shè)置為微觀結(jié)構(gòu)演變(包括DRX體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸)和取決于加載路徑和微觀結(jié)構(gòu)的J2-JBOY3樂(lè)隊(duì)本構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)變化的宏觀尺度參數(shù)，然后應(yīng)用于有限元模型以預(yù)測(cè)部件的響應(yīng)。因此，建立了一座橋梁來(lái)連接RVE和組件的響應(yīng)。反過(guò)來(lái)，部件局部區(qū)域的變形歷史也可以應(yīng)用于RVE，以進(jìn)一步研究微尺度變形機(jī)制和微結(jié)構(gòu)演化。利用跨尺度模型，得到了反映各向異性、拉壓不對(duì)稱性、應(yīng)變率、溫度、微觀結(jié)構(gòu)和變形模式依賴性的結(jié)果。它得益于基于物理的CACPFEM、依賴于變形條件和微結(jié)構(gòu)演化的J2-JBOY3樂(lè)隊(duì)本構(gòu)模型、優(yōu)化的ANN模型以及它們的創(chuàng)新組合。優(yōu)化策略保證了跨尺度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性?？?em>尺度模型在旋轉(zhuǎn)坯料單軸壓縮中的應(yīng)用以及在新形狀坯料的屈服面預(yù)測(cè)和鍛造過(guò)程中的推廣，表明了該模型的跨尺度預(yù)測(cè)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(gè)部分和三種優(yōu)化方法的組合。
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