ansys模擬尺度的案例
多尺度晶體塑性模擬文章推薦
為解決這一問題，作者提出了一種并發多尺度建模方法：宏觀結構層面采用顯式有限元模擬方管壓潰；每個積分點內部嵌入一個由多個 FCC 晶粒組成的多晶聚集體；晶粒層面采用 Marin 晶體塑性模型描述滑移、硬化和晶格旋轉；最后通過 Taylor 型均勻化獲得積分點平均應力。這樣，宏觀有限元計算不再只依賴經驗塑性曲線，而是能夠實時考慮晶粒取向和織構演化對結構響應的影響。
文章中，作者首先通過單元模型分別施加拉伸、壓縮和簡單剪切，生成不同初始織構；隨后將這些織構賦予方管模型，并進行軸向壓潰模擬。
結果表明，雖然不同織構對整體折疊形貌的影響并不總是非常顯著，但對壓潰力–位移曲線、平均壓潰力和能量吸收能力具有明顯影響。尤其是在角部、水平鉸線和錐面等局部大塑性區域，晶粒取向會持續演化，形成不同的局部織構模式。文章還指出，拉伸織構和壓縮織構在不同壓潰模式下表現出不同的吸能優勢，這說明“材料制造歷史”并不是可以忽略的背景信息，而是可能影響結構服役性能的重要因素。
這篇文章對我們的啟發在于：晶體塑性并不只能用于單晶拉伸、RVE 或微觀變形分析，也可以嵌入顯式動力學框架，用于研究真實工程結構中的局部變形、吸能和織構演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統本構更豐富的物理信息。
我們可以將我之前推文提到的umat-taylor模型轉化為vumat子程序，進一步使用晶體塑性模型模擬大變形結構尺度材料變形行為。案例展示如下：
初始模型參考文章的設置（上下兩層鋼板，中間為薄殼結構）：
使用通用接觸，摩擦系數設置為0.5，共4000個單元，每個單元包含50個具有不同初始取向晶粒。共20萬晶粒。
展開 微觀宏觀多尺度模擬
微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產生
裂紋擴展
儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
這些分析的目的是為提高我們對流體通過可變孔隙尺度運動方式的理解和表征。
本項目使用真實結構的micro-CT圖像數據，在Simpleware軟件中進行可視化和處理，生成網格化的3D模型，然后將其導出至仿真軟件中研究化學輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結構的 micro-CT數據；
在Simpleware ScanIP中進行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結構生成高質量的多相網格；
在仿真軟件中進行孔隙尺度化學輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學院孔隙尺度模型（PERM）聯盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數據，獲得孔隙空間和微觀結構的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數據轉換為基于3D體素的幾何結構，為網格劃分做準備。由于CT掃描通常會產生噪音，此步驟的處理極其復雜。為了渲染構造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數據的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩健的CFD網格，并直接導出至 仿真軟件。
圖：使用Simpleware FE模塊生成網格化的多孔結構模型
然后將網格化的多孔介質模型導入商用偏微分方程（PDE）求解器中求解 Navier-Stokes 方程，計算絕對滲透率等基本參數。
展開 氧化鋁沖擊動力學原子尺度仿真模擬
氧化鋁沖擊動力學原子尺度仿真模擬
通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
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 【CAE案例】針對法國吉倫特河口灣大尺度地貌動力學數值模擬研究
03 模擬結果
大尺度水力學模型的驗證
首先我們將要驗證大尺度下水力學模型的有效性。驗證地點方面我們選取入海口附近的Verdon（點1）站點以及中央地區的Pauillac（點4）站點。結果如下圖所示：
上圖為水位觀測數據（離散點）與計算結果（曲線）的比較，而下圖為水流速度的比較。其中水位計算的誤差平均在10cm以內，速度觀測也取得了較好的擬合度。
大尺度泥沙遷移模型的驗證
1. 粒度分布驗證
由于泥沙在遷移過程中涉及多個粒度的混合，我們將首先驗證粒度分布的計算和觀測數據，結果如下圖所示：
上圖為觀測數據，而下圖為模擬的結果。如圖所見，在網格密集的中部地區粒度分布的計算結果與觀測數據非常契合。
2. 中期河床演變
在中期河床演變部分，我們將展示吉倫特河口中央匯流區域的河床演變情況。時間方面選取1995-2000年5年的變化情況，計算結果與觀測數據的比對如下圖所示：
左圖為1995年-2000年5年內河床演變的觀測數據，而右圖為針對該時間段的計算結果。由此可見計算結果在定性與定量方面都比較契合觀測數據。
04 研究結論
在本次研究中我們利用TELEMAC-2D與SISYPHE的耦合完成了對法國吉倫特河口灣的初步模擬。現階段模型對泥沙遷移和中期（5年）河床演變的模擬在定性層面上能夠與觀測數據達到很好的一致性。而定量方面，中央匯流區的模擬結果相對較好，而入海口和上游部分由于計算資源限制模擬效果相對有限。鑒于吉倫特河口灣巨大的面積，復雜的地理，水文形勢以及泥沙成分，達到完全契合的定量分析相對較難。因此對于本次研究來說，對大尺度河口灣的泥沙遷移和中期河床演變模擬已初步取得一定的效果。
展開 VirtualLab Fusion創始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學模擬與設計
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展開 雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
納米壓痕是研究材料在微納米尺度下力學響應的有效手段，通過納米壓痕可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服強度和硬化指數等重要力學參量。晶界在金屬材料的塑性變形機理及其力學性能中扮演著重要角色，尤其是對于小尺度材料。雙晶納米壓痕是研究晶界對材料力學行為影響的重要手段之一。目前實驗手段難以獲取材料在壓痕過程中位錯結構的演化信息，而多尺度位錯動力學模擬可以有效地獲取和分析材料在塑性變形過程中位錯的演化特征，適用于研究納米壓痕這種與位錯等微結構密切相關的力學實驗。目前多尺度位錯動力學壓痕模擬主要集中在二維模型上，三維單晶模型較少，而三維雙晶模型還未見報道。
近日，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學Michael Zaiser教授（西南交通大學“海外名師項目”專家）合作開展研究，論文第一作者碩士研究生陸宋江通過在三維單晶多尺度框架的基礎上引入可穿透晶界模型開展雙晶納米壓痕模擬，研究位錯與晶界的交互作用機理及晶界對壓痕響應的影響，建立了基于位錯塞積理論的壓痕尺寸依賴性模型，并從位錯結構演化信息分析了相關雙晶壓痕響應的內在機理。相關研究成果已在線發表在材料力學領域頂級期刊《Journal of the Mechanicsand Physics of Solids》（力學小區1區，IF=3.566）。
論文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618308950
傳統離散位錯動力學很難處理壓痕等復雜的邊界條件問題，而通過離散位錯動力學（DDD）與有限元耦合的多尺度方法是解決這一難題的有效途徑。因此，該研究采用多尺度位錯動力學框架來模擬壓痕問題。
展開 ICME | Schr?dinger攜手Ansys實現多尺度仿真，以應對材料至系統挑戰
基于這一將ICME作為主要驅動因素的愿景，Schr?dinger和Ansys建立了合作伙伴關系，以應對材料至系統的挑戰。三十多年來，Schr?dinger一直在為預測性材料發現、優化及材料分析提供解決方案。組合后的產品組合與集成，將推動ICME愿景在新一代電池、消費類產品、電子產品以及交通運輸等各技術領域更快落地。對于行業而言，這一合作將有可能帶來諸多變革性成果，包括可持續材料驅動的產品、對大量不同材料進行篩選、預測材料在使用條件下的性能，以及材料至產品的循環等。
作為此次共同合作價值的初步展示，Ansys和Schr?dinger針對纖維增強復合材料的預測性能開發了一款解決方案，廣泛應用于航空航天與國防、汽車以及能源公司。該研究展示了聚合物樹脂在不同條件下的預測性材料篩選和選擇。樹脂屬性通過分層多尺度建模框架，向上傳遞至鋪層層級屬性，同時進一步了解工藝引起的材料性能波動，以及關鍵的結構與屬性關系。最終，鋪層層級屬性被尺度傳遞到復合材料層合板屬性，并應用于目標物理系統。
展開 精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
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。
為了方便與后文中基于金相組織的RVE模型作對比，再以同樣的方法在更大的尺度上建立理想化退火態微觀組織RVE模型作為子模型，研究組織對精沖性能的影響。
展開 美國密歇根州立大學Acta Materialia：原子尺度模擬鑄態鋁氧化膜夾層的形成與斷裂
由于鑄模的形狀復雜，在液態鋁填充鑄模時會產生較強的表面擾動，這種擾動會使氧化鋁薄膜折疊為納米尺度的氧化膜夾層(bifilms)，存在于最終的鑄件中。這種雙層氧化膜的形成和夾帶在鋁的鑄造過程中是不可避免的，并且嚴重影響鋁鑄件的最終力學性能，但是，由于現今對納米尺度氧化鋁薄膜進行原位觀察的能力受限，其形成過程或斷裂機制仍不清楚。
【成果簡介】
近日，美國密歇根州立大學的Yue Qi教授在Acta Materialia上發表了題為“Atomistic Simulation of the Formation and Fracture of Oxide Bifilms in Cast Aluminum”的文章。為理解不同的氧化膜夾層形成階段和時效過程中，氧化膜夾層對斷裂機制的影響，作者根據氧化膜夾層的形成歷史，建立了原子級的氧化膜夾層平板(slab)模型。在模擬不同類型的氧化膜夾層形成和形變時，使用了ReaxFF反應力場模擬。模擬顯示在氧化膜夾層形成過程中，在氧化物/氧化物界面處發生不完全的“愈合”過程，而在斷裂過程中，這種“愈合”現象發生在鋁單質/氧化物界面處。
【圖文導讀】
圖1：壓鑄鋁過程中氧化膜夾層形成和隨時間、溫度演化的示意圖。
圖2：建立不同形成歷史的氧化膜夾層結構的過程。
圖3：不同相的塊體氧化鋁結構的室溫體模量預測與論文實驗值對比。
展開 
江蘇科技大學《CS》：碳纖維復合材料鉆孔過程動態漸進破壞的跨尺度模擬
圖10 鉆孔碳纖維復合材料的跨尺度模型
小結
本研究探索了一種綜合跨尺度建模方法，利用TDR精確模擬碳纖維復合材料鉆孔的動態漸進破壞行為。基于ABAQUS/Explicit軟件建立了T700S-12 K/YP-H26碳纖維復合材料層合板鉆孔數值模擬方案，利用自定義材料子程序VUMAT分別預測了層內損傷演化和層間分層。通過一系列實驗，從打孔質量評價指標毛刺、分層因子等方面驗證了模型的尺寸跨度。主要結論如下:
（1）與實驗結果相比，所建立的跨尺度鉆孔有限元模型在預測推力和扭矩時精度較高，最大偏差分別僅為3.43%和7.69%。
（2）轉孔的不同類型的損害行為可以得到模擬,如撕裂損傷、毛刺、撕裂等。
（3）最大平均推力和扭矩、毛刺、分層損傷隨著進料速度增加突然增加,而隨著主軸轉速的增加而逐漸減小。
原始文獻：Liu Y, Li Q, Qi Z, Chen W. Scale-span modelling of dynamic progressive failure in drilling CFRPs using a tapered drill-reamer[J]. Composite Structures, 2021, 278:114710.
展開 第七屆全國顆粒材料計算力學會議召開，DEMms多尺度離散模擬軟件受關注
</p><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/c44c96869bf9191c7e87746b3a141cec556101746.png@.webp" alt="read-normal-img"></p><p>會議期間，積鼎科技展示了其戰略合作伙伴中國科學院過程工程研究所介科學研究部開發的DEMms（Multi-scale Discrete Element Method for Multi-phase Systems）多尺度離散模擬軟件，向與會者介紹了該軟件在科研與工程領域的卓越性能和應用前景。</p><p><br></p><p><strong>DEMms多尺度離散模擬軟件</strong></p><p>DEMms軟件是一款面向顆粒、散料和多相體系大規模模擬的專業軟件，能夠充分利用CPU、GPU等多種計算資源，實現大規模異構并行計算。該軟件耦合了獨特的顆粒粗粒化模型與流固耦合方法，能高效對接多種開源流動求解器，具備長時間或準實時模擬流動、傳遞和反應耦合的工業過程的能力，為虛擬工廠和高水平數字孿生的建立提供有力手段。
展開 Ansys workbench模擬背板靜力學分析 ￥29.9
</p><p><br></p><p>2 Ansys workbench有限元分析軟件</p><p>在ANSYS 7.0版本問世之前，ANSYS公司致力于研發其核心產品ANSYS。這一版本通過其仿真效果的卓越和效率的顯著，贏得了工程界的廣泛贊譽。然而，盡管取得了如此成就，該版本在仿真模擬操作方面存在明顯的不足，即用戶必須通過編寫復雜的程序才能進行仿真，這限制了其在工程領域的普及應用。</p><p>隨著ANSYS公司成功推出ANSYS Workbench這一新型號，局面發生了轉變。ANSYS Workbench以其創新的用戶界面和工作流程，簡化了仿真過程，極大地提升了用戶體驗，因此迅速被廣泛應用，其普及程度甚至超越了傳統的ANSYS經典版本。目前，ANSYS Workbench已經發展到24.0版本，繼續引領著行業的進步。</p><p>ANSYS Workbench作為一個先進的仿真平臺，具備分析和模擬復雜機械系統的能力。它涵蓋了結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱力學、電磁場分析以及多物理場耦合分析等多個領域。這些功能使得工程師能夠對機械系統進行全面的性能評估，從而優化設計，提高產品的可靠性和性能。</p><p>在結構靜力學方面，ANSYS Workbench能夠模擬材料在靜態載荷下的響應，包括應力、應變和位移等參數。在結構動力學分析中，該平臺可以模擬結構在動態載荷下的行為，如振動和疲勞。剛體動力學分析允許工程師研究物體在受到力和扭矩作用時的運動情況。</p><p>流體動力學模塊使工程師能夠模擬液體或氣體在各種條件下的流動行為，這對于設計高效的流體傳輸系統至關重要。結構熱力學分析則關注材料在熱載荷下的行為，包括熱膨脹和熱應力。
展開 ANSYS Workbench模擬齒輪箱變速器齒輪嚙合 ￥19.89
</p><p><br></p><p>1.2 Ansys有限元分析軟件</p><p>1.2.1 Ansys軟件特點</p><p>在ANSYS 7.0版本問世之前，ANSYS公司致力于研發其核心產品ANSYS。這一版本通過其仿真效果的卓越和效率的顯著，贏得了工程界的廣泛贊譽。然而，盡管取得了如此成就，該版本在仿真模擬操作方面存在明顯的不足，即用戶必須通過編寫復雜的程序才能進行仿真，這限制了其在工程領域的普及應用。</p><p>隨著ANSYS公司成功推出ANSYS Workbench這一新型號，局面發生了轉變。ANSYS Workbench以其創新的用戶界面和工作流程，簡化了仿真過程，極大地提升了用戶體驗，因此迅速被廣泛應用，其普及程度甚至超越了傳統的ANSYS經典版本。目前，ANSYS Workbench已經發展到24.0版本，繼續引領著行業的進步。</p><p>ANSYS Workbench作為一個先進的仿真平臺，具備分析和模擬復雜機械系統的能力。它涵蓋了結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱力學、電磁場分析以及多物理場耦合分析等多個領域。這些功能使得工程師能夠對機械系統進行全面的性能評估，從而優化設計，提高產品的可靠性和性能。</p><p>在結構靜力學方面，ANSYS Workbench能夠模擬材料在靜態載荷下的響應，包括應力、應變和位移等參數。在結構動力學分析中，該平臺可以模擬結構在動態載荷下的行為，如振動和疲勞。剛體動力學分析允許工程師研究物體在受到力和扭矩作用時的運動情況。</p><p>流體動力學模塊使工程師能夠模擬液體或氣體在各種條件下的流動行為，這對于設計高效的流體傳輸系統至關重要。結構熱力學分析則關注材料在熱載荷下的行為，包括熱膨脹和熱應力。
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