微觀尺度孔隙的案例
隨機微觀孔隙2D軟件 ￥196
使用說明
AbyssFish隨機微觀孔隙2D可用于生成不同尺寸及不同孔隙率、孔隙分布的PNG格式圖片。用于數字巖心、細微孔隙模型等領域的研究。插件生成的樣圖如下：
說明提醒
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對插件如有其它需求及改進建議歡迎提出。
儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
概述
基于圖像的建模可用于分析通過多孔介質的傳質現象，特別適用于儲層巖石孔隙-喉道網絡。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。
展開 comsol微觀孔隙流與等效滲流模型 ￥10
提供孔隙型介質模型建立方法，孔隙型介質中流動模擬及等效滲透率轉化案例。
AF多尺度孔隙處理軟件2D ￥96
孔隙特征
材料的孔隙特征又稱為孔隙結構，一般是指材料內部的孔隙率、孔隙大小、孔隙形狀、分布模式、數量、連通性等特征。如在巖石中，孔隙是流體的基本通道，同樣也是影響巖石力學性能的關鍵因素；在消音材料中，孔隙是能量耗散的主要因素；在混凝土中，微觀孔隙的存在是影響離子滲透進而影響耐久性能的重要原因。因此在模擬中孔隙特征的研究尤為重要。
一般的研究僅局限于孔隙率單一因素的影響，而忽視了孔隙的其他特征參數。AF多尺度孔隙處理軟件2D可在確保孔隙率不變的前提下，基于實際的孔隙圖像，進行孔隙的多尺度處理。
在工程實際中，一種材料的孔隙率參數易于測得，而材料的其他孔隙特征是難以測算的。針對這兩方面的問題，AF多尺度孔隙處理軟件2D采取指定孔隙率加材料圖片處理模式來進行生成多尺度孔隙圖片。具體而言，針對已知的孔隙率，軟件在進行孔隙處理中可保證孔隙率為定值，基本不發生改變，這樣就可控制孔隙率參數不變，研究孔隙的其他特征參數對材料性能的影響。而針對難以衡量的孔隙其他特征參數，如孔隙喉道、孔隙峰度、孔隙連通等特征，軟件采用基于圖像的處理模式，可在最大程度上保留原有的孔隙特征。對于黑白的二值圖片，軟件還提供自適應孔隙率測算功能，識別模式為白色為孔隙。
以下為處理文獻圖片的處理樣圖：
處理后的文件可進行有限元模型的建立，如COMSOL、ANSYS、Abaqus多尺度孔隙結構模型等：
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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
COMSOL建立孔隙尺度多孔介質結構模型教程
通過軟件將png格式的圖片轉換為DXF格式文件，也就是AutoCAD支持的文件：
下一步打開COMSOL軟件建立二維模型，導入事先準備好的dxf模型，需要注意導入選項選擇【不接合】
然后通過轉換為實體命令將圖形的外側輪廓及內部孔隙分兩步轉換為實體，這里在選擇內部孔隙時可采用全選的方式更快速的選擇。
通過布爾操作與分割中的差集做差，將孔隙部位挖空。
網格劃分等后續操作：
本教程用到的CAD文件下載：
AbyssFish.rar
隨機孔隙建模軟件：
隨機微觀孔隙2D軟件
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 金屬切削過程宏觀和微觀尺度有限元仿真進展
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 臺式掃描電鏡：微觀尺度形貌觀測和分析利器
例如，在材料科學中，搭配二次電子探頭和背散射電子探頭，結合高分辨率成像功能，可以清晰地觀察到材料的微觀結構和成分；在生物醫療領域，搭配適合生物樣本的探頭，利用自動調節功能確保成像質量，從而更好地觀察生物樣本的微觀特征。
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
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。
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