晶體仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：海貍- 創(chuàng)建時(shí)間：2023-05-24
晶體仿真的視頻教程
abaqus案例：Voronoi與FDEM結(jié)合的晶體斷裂仿真專(zhuān)題
1、專(zhuān)題概述 2、POLARIS_Voronoi插件介紹 3、POLARIS_InsertCohElem插件介紹 4、案例：拉伸彈塑性斷裂仿真（二維多邊形） 5、案例：切削仿真（三維多棱柱） 6、案例：圓柱壓縮破碎仿真（三維多面體） 【案例：晶體拉伸斷裂仿真】 本例采用ABAQUS/Standard隱式計(jì)算方法，模型為平面二維多邊形，Voronoi控制點(diǎn)的分布是非均勻的
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ABAQUS材料斷裂與失效系列 之 基于Cohesive方法的斷裂仿真
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晶體仿真的實(shí)例教程
《ABAQUS中泰森多邊形Voronoi和有限離散元FDEM結(jié)合的晶體斷裂仿真》
作者：星辰北極星
這個(gè)專(zhuān)題是依托于POLARIS_Voronoi插件制作的一套仿真案例視頻，講述Voronoi多邊形結(jié)合FDEM在晶體仿真中的一些應(yīng)用；FDEM是FEM和DEM的一個(gè)組合縮寫(xiě)，也就是“有限離散元方法”，結(jié)合了有限元和離散元的特征，在ABAQUS中主要通過(guò)大量嵌入Cohesive單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一方法目前廣泛應(yīng)用于巖石、玻璃、陶瓷等脆性材料的破碎仿真。
【課程內(nèi)容】
第1章：課程概述
第2章：POLARIS插件
2.1 POLARIS_Voronoi插件介紹
2.2 POLARIS_InsertCohElem插件介紹
第3章：ABAQUS-Standard隱式分析案例
3.1 基于Cohesive單元的彈塑性斷裂仿真基礎(chǔ)
3.2 平面二維晶體試件的彈塑性拉伸斷裂仿真（二維多邊形）
第4章：ABAQUS-Explicit顯式分析案例
4.1 晶體試件的切削仿真（三維多棱柱）
4.2 圓柱多晶體試件的壓縮破碎仿真（三維多面體）
【案例：晶體拉伸斷裂仿真】
本例采用ABAQUS/Standard隱式計(jì)算方法，模型為平面二維多邊形，Voronoi控制點(diǎn)的分布是非均勻的，兩邊密，中間稀疏，類(lèi)似于金屬材料經(jīng)過(guò)表面處理后的晶粒細(xì)化，這種模型需要人為指定晶體控制點(diǎn)位置才能實(shí)現(xiàn)；此外，模型中的實(shí)體單元采用彈塑性材料的，因此是一種基于Cohesive方法的彈塑性斷裂分析的案例（本案例已經(jīng)添加到Cohesive專(zhuān)題中）。
【案例：晶體切削仿真】
本例采用ABAQUS/Explicit顯式動(dòng)力學(xué)分析方法。
展開(kāi) Rsoft是專(zhuān)門(mén)做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過(guò)utility里面的Arrary Layout 來(lái)創(chuàng)建三維光子晶體光纖。建立三維模型時(shí)在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡(luò)法對(duì)三芯光子晶體光纖進(jìn)行仿真，圖1為仿真模型，背景為熔融二氧化硅材料，紅色柱體為氣孔，黃色柱體為纖芯。中間纖芯為定為纖芯1，左邊纖芯定為纖芯2，右邊纖芯定為纖芯3。仿真時(shí)，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對(duì)1、2、3的纖芯路徑的能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖1 三芯光子晶體光纖建模圖
如圖2,為三芯PCF的縱向功率分布圖，光源從纖芯1輸入波長(zhǎng)為1550nm的光，通過(guò)仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)可以從數(shù)值仿真結(jié)果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當(dāng)給PCF一個(gè)彎曲量時(shí)纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會(huì)重合。這是因?yàn)榫嚯x發(fā)生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場(chǎng)分布圖，在開(kāi)始傳輸時(shí)纖芯1的能量高，然后能量會(huì)耦合到另外兩個(gè)纖芯上。從圖3中可以看出能模態(tài)在纖芯間的耦合。
圖3 模場(chǎng)分布圖
通過(guò)軟件中的仿真1330~1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對(duì)比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點(diǎn)，可以進(jìn)一步做溫度，磁場(chǎng)，曲率等的仿真，為實(shí)驗(yàn)提供理論支撐。
圖4 透射光譜
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聲子晶體是一種相當(dāng)獨(dú)特的材料，它可設(shè)計(jì)出特殊的帶隙。隨著對(duì)此類(lèi)材料需求的不斷提高，人們對(duì)聲子晶體仿真研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，針對(duì)帶隙的優(yōu)化是其中最熱門(mén)的課題。本文將為您展示如何使用 COMSOL Multiphysics 這一可靠工具進(jìn)行此類(lèi)研究。
聲子晶體是什么？
聲子晶體是一種人工制造的結(jié)構(gòu)或材料，可對(duì)其周期性結(jié)構(gòu)或幾何屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此影響機(jī)械波的傳播特性。設(shè)計(jì)制造聲子晶體時(shí)，人們能夠在特定的頻率范圍內(nèi)隔離振動(dòng)。特定頻率范圍內(nèi)，也稱(chēng)為帶隙，帶隙內(nèi)的振動(dòng)會(huì)因受到周期性結(jié)構(gòu)內(nèi)波干涉的影響而衰減。這一行為與一種更廣為人知的納米結(jié)構(gòu)相似，這一納米結(jié)構(gòu)便是半導(dǎo)體應(yīng)用中光子晶體。
優(yōu)化聲子晶體帶隙是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。我們 Veryst 工程公司的研究人員發(fā)現(xiàn) COMSOL Multiphysics 正是處理這類(lèi)難題的寶貴工具。
建立聲子帶隙分析
要在周期性結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建帶隙，一種方法是使用由堅(jiān)硬的內(nèi)核材料與柔軟的外部基體材料構(gòu)成的晶胞。其構(gòu)型如下圖所示。
晶胞示意圖。晶胞由堅(jiān)硬的內(nèi)核材料與柔軟的外部基體材料構(gòu)成。
對(duì)聲子晶體的頻率響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，僅僅需要對(duì)周期性晶胞進(jìn)行分析，及利用覆蓋一定波矢范圍的布洛赫周期性邊界條件。相對(duì)較小范圍的波矢即可覆蓋所謂的不可約布里淵區(qū)（irreducible Brillouin zone，簡(jiǎn)稱(chēng) IBZ）的邊緣。在二維矩形結(jié)構(gòu)中，IBZ（下圖所示）從 Γ 沿著 X、M 后回到 Γ。
二維正方形周期性結(jié)構(gòu)中的不可約布里淵區(qū)。
布洛赫邊界條件（一維時(shí)又稱(chēng) Floquet 周期性邊界條件）可約束周期性結(jié)構(gòu)的邊界位移，表達(dá)式如下：
其中 kF 表示波矢。源端和目標(biāo)端分別在晶胞的左右邊緣和上下邊緣各應(yīng)用一次。此類(lèi)型的邊界條件可在 COMSOL Multiphysics 中獲得。
展開(kāi) 晶體塑性有限元仿真入門(mén)(5)—?dú)W拉角與晶體取向.pdf
晶體塑性有限元仿真入門(mén)(5)—?dú)W拉角與晶體取向
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晶體取向是材料學(xué)科中的重要分支，當(dāng)晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向時(shí)，則導(dǎo)致材料性能（力學(xué)，物理和化學(xué)性能）的各向異性。各向異性會(huì)造成材料實(shí)際應(yīng)用中的各種問(wèn)題，如鋁合金典型的制耳現(xiàn)象，再如取向硅鋼中存在Goss織構(gòu)時(shí)，有利于其磁學(xué)性能。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，織構(gòu)的形成與演變是基本的科學(xué)問(wèn)題。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)織構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制可以提高材料的性能。隨著近年來(lái)EBSD和XRD等表征技術(shù)的發(fā)展，各種SCI期刊的發(fā)文都已離不開(kāi)對(duì)材料晶體學(xué)取向的分析。這篇文章介紹晶體塑性有限元仿真過(guò)程中的歐拉角與晶體取向。
圖1 塑性變形過(guò)程導(dǎo)致的材料各向異性
全文包括以下幾個(gè)部分：
1) 材料晶體結(jié)構(gòu)
2) EBSD工作原理
3) 晶體取向分析
4) 晶體塑性材料模型
5) 織構(gòu)演變結(jié)果
6) 參考資料
7) 附錄
材料晶體結(jié)構(gòu)
在晶體學(xué)中，晶體結(jié)構(gòu)是對(duì)晶體材料中原子、離子或分子有序排列的描述。有序結(jié)構(gòu)由組成粒子的內(nèi)在性質(zhì)產(chǎn)生，形成沿物質(zhì)三維空間的主要方向重復(fù)的對(duì)稱(chēng)模式，如圖2所示。
圖2 高分辨率透射電子顯微鏡圖片的鐵晶體，完美單晶的二維示意圖
構(gòu)成這種重復(fù)圖案的材料中最小的一組粒子是結(jié)構(gòu)的晶胞。晶胞完全反映了整個(gè)晶體的對(duì)稱(chēng)性和結(jié)構(gòu)，這是通過(guò)晶胞沿其主軸重復(fù)平移而建立的。平移向量定義布拉維點(diǎn)陣的節(jié)點(diǎn)，不同的晶體內(nèi)部原子排列稱(chēng)為具有不同的晶格結(jié)構(gòu)。各種晶格結(jié)構(gòu)可以歸納為七大晶系，各種晶系分別與十四種空間格（稱(chēng)為Bravais晶格）相對(duì)應(yīng)，如圖3所示。
展開(kāi) 
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晶體仿真的最新內(nèi)容
COMSOL三維Voronoi晶體結(jié)構(gòu)模型1個(gè)月前
可劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析。
基于晶體塑性有限元（CPFEM）的鈦合金圓棒拉伸過(guò)程模擬11個(gè)月前
此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統(tǒng)的活動(dòng)，從而能夠預(yù)測(cè)材料在細(xì)觀尺度上的織構(gòu)演化。
利用CPFEM方法對(duì)鈦合金圓棒拉伸過(guò)程進(jìn)行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實(shí)現(xiàn)方式。并且，在一些復(fù)雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過(guò)程中的非線性行為和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
關(guān)鍵詞：鈮酸鋰；定向耦合器；側(cè)壁刻蝕
鈮酸鋰(Lithium Niobate)，是各向異性的晶體，因此在仿真中需要考慮這一性質(zhì)。由于x-cut鈮酸鋰是最常使用的，所以在這篇推文中考慮x-cut的鈮酸鋰折射率數(shù)據(jù)。
然后，可以用下面的關(guān)系式來(lái)計(jì)算介電常數(shù)張量?ij
（3）
得到的結(jié)果?ij來(lái)進(jìn)行晶體的后續(xù)光學(xué)仿真。方程式(1)-(3)在任何坐標(biāo)系中都成立。然而，需要強(qiáng)調(diào)，應(yīng)用每個(gè)方程式的張量時(shí)，要用同一坐標(biāo)系表示。由于晶體材料的對(duì)稱(chēng)性，在晶體坐標(biāo)系中就很容易描述它們的性質(zhì)，例如，壓電光學(xué)張量πijkl通常只在這樣的系統(tǒng)參考書(shū)目中給出[6]。
光子晶體是一類(lèi)通過(guò)不同折射率介質(zhì)周期性的排列而形成的具有光波長(zhǎng)量級(jí)的周期性人工微型結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)晶體來(lái)說(shuō)，由于介電函數(shù)的周期性分布，光子晶體也會(huì)產(chǎn)生一些類(lèi)似于傳統(tǒng)晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無(wú)法傳播。我們?cè)谕暾墓庾泳w陣列中引入線缺陷可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，光子波導(dǎo)由于傳播低損耗和體積小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于器件之后，在未來(lái)光通信領(lǐng)域有很大的前景。光子晶體在實(shí)際制備過(guò)程中由于不可避免的無(wú)序效應(yīng)而使自身的傳輸特性受到影響
這篇文章介紹晶體塑性有限元仿真過(guò)程中的歐拉角與晶體取向。
Damask和abaqus晶體塑性聯(lián)合仿真培訓(xùn)通知
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