材料力學與多尺度建模的案例
Digimat：復合材料多尺度建模的創新力量
在當今追求高性能與可持續發展的工業領域，復合材料正成為越來越多行業的首選材料。其卓越的比強度、比模量、耐腐蝕性和高度可設計性，使其在航空航天、汽車制造、電子設備等行業中逐漸取代傳統金屬材料。然而，傳統的復合材料分析方法難以準確捕捉材料微觀結構對宏觀性能的影響，導致設計中不得不引入較大安全系數，既增加成本又限制材料性能發揮。但現在，一款名為 Digimat 的軟件徹底改變了這一局面。
Digimat 是由 e-Xstream engineering（現歸屬 Hexagon Manufacturing Intelligence）開發的專業復合材料多尺度建模與仿真平臺。它采用獨特的多尺度方法學框架，實現了從微觀纖維 / 基體界面到宏觀結構性能的跨尺度預測。其強大功能體現在多個方面。
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。如在玻纖增強 PP 的注塑案例中，其預測纖維取向分布與 CT 掃描結果相關性達 0.91，翹曲變形預測精度比傳統方法提高 40%，計算時間比同類軟件縮短 30%（相同硬件配置）。
Digimat 在行業應用中成果顯著。在航空航天領域，某型無人機機翼設計借助 Digimat，成功減重 15% 的同時保持等效剛度，開發周期縮短 6 個月，物理試驗次數減少 60%。在汽車輕量化方面，某電動車電池包殼體項目使用 Digimat 后，最大應力降低 14.3%，生產成本降低 20% 。
展開 Digimat多尺度建模技術體系研究：復合材料仿真前沿進展
軟件概述與技術架構
Digimat是由e-Xstream engineering（現歸屬Hexagon Manufacturing Intelligence）開發的專業復合材料多尺度建模與仿真平臺。作為當前復合材料仿真領域的標桿軟件，Digimat采用獨特的多尺度方法學框架，實現了從微觀纖維/基體界面到宏觀結構性能的跨尺度預測。
核心技術特點：
l 材料-工藝-性能一體化建模：集成材料數據庫包含500+種常見增強纖維和樹脂基體；
l 多物理場耦合能力：支持力學-熱學-電學耦合分析；
l 工業接口豐富：與Abaqus、ANSYS、LS-DYNA等主流CAE軟件無縫對接。
2. 核心功能評測
2.1 微觀尺度表征能力
Digimat-MF模塊通過代表性體積單元(RVE)方法，精確預測復合材料的局部應力/應變場。
展開 材料力學頂刊！雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
西南交通大學力學與工程學院張旭負責的多尺度材料力學研究組長期從事高強高韌結構材料力學行為、固體本構關系、多尺度實驗及模擬方面的研究。
來源：材料科學與工程
作者：張旭
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>近日，第七屆全國顆粒材料計算力學會議暨第四屆計算顆粒技術國際研討會在南京召開。會議聚焦顆粒材料的力學理論及模型、計算分析與軟件開發、工程應用和相關前沿方向中的關鍵科學問題和難點技術問題，開展廣泛的學術交流和討論。</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 
【CAE案例】換熱器多尺度建模耦合
由于換熱器對熱量交換效率的要求，換熱器從流體進口到交換區再到出口的尺度變化較大，圖一展示了一個常見換熱器的尺寸變化。在這種情況下，如果對換熱器進行全計算流體力學（CFD）仿真，需要較大網格量才能保證網格質量，這就使得CFD仿真變得復雜和昂貴。為了節約計算成本且保證計算準確度，本案例提出了不同尺度區域分開建模再耦合的方法進行CFD仿真，分區如圖2所示。
圖1 換熱器尺寸變化
圖2 換熱器尺度分區
02
模型建立
本案例選取了如圖所示的換熱器幾何模型作為研究對象，由于換熱器是對稱的，只需研究一半的換熱器。該模型的上表面為對稱面，模型包含6個熱通道和6.5個冷通道，通道之間由12個固體片隔開。熱流體的流動方向為x，冷流體的流動方向為-z。
圖3 換熱器幾何模型
首先對通道外的區域構建流體仿真網格，通道內區域寬度方向用一層網格來模擬，得到整個通道的平均量。過渡區網格如下圖所示，模型共包含為3 000 000單元。
圖4 過渡區網格
對于通道內的流體，我們構建了一個元模型（Metamodel），建立了一個鏈接輸入和輸出的I/O近似模型。對單個通道單獨建模，使用多孔介質模型模擬單個通道內流體流動，多孔介質的參數如圖2所示，得到通道內流體溫度分布如圖5所示。同時得到了輸出參數Nu和Cf與輸入的關系。
展開 ABAQUS多尺度纖維增強混凝土二維建模
論文中建立的二維纖維增強混凝土模型包含粗骨料、砂漿、纖維、骨料與砂漿的界面過渡區、纖維與砂漿的界面過渡區在內的多相材料，且混凝土砂漿中包含隨機分布的孔隙。
本案例中，采用CAD纖維混凝土2D V1.1插件在AutoCAD內通過參數化建模建立骨料、纖維、孔隙及界面過渡區幾何圖形，各組分在CAD內已分圖層，需要分別另存為dxf文件后再導入到ABAQUS。（注意本案例中纖維部件不包含界面過渡區）
在ABAQUS中將保存的圖形文件以草圖的形式分別導入。
利用草圖分別建立不同組分的模型部件。
將各部件賦值對應的材料，并進行裝配。
可對模型劃分網格，如論文中的三角形網格。
也可劃分四邊形網格。
插件具備設置多邊形邊數、粒徑、投放數量及離心率等功能，可實現多種形態的骨料模型。
也可在保證骨料及纖維分布不變的情況下，單獨調整孔隙分布，以研究孔隙率等變化對纖維增強混凝土性能的影響。
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
而當材料中存在平行的多條碳化物帶時，裂紋的擴展路徑可能會多次發生改變，形成圖7f所示的一條曲折的裂紋，對應于實際精沖中的粗糙沖裁斷面。
結束語
通過對精沖用碳鋼不同微觀組織的拉伸、剪切、精沖性能進行宏微觀模擬，模擬結果顯示：球化退火后，當基體中存在較小體積分數的小直徑碳化物顆粒時，材料的拉伸、剪切強度提高，裂紋萌生時間延遲；而碳化物帶的存在使得帶中產生應力集中，加快損傷演化而導致材料過早斷裂，并且碳化物帶中滲碳體顆粒越多或越密集，這種應力集中越嚴重；精沖時裂紋沿著碳化物帶擴展，降低斷面質量。模擬預測的單元失效情況與掃描電鏡觀察的精沖試樣裂紋擴展結果一致。
作者簡介 莊新村，博士，副研究員，碩士研究生導師，現任上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院副院長，主要研究方向為精沖成形工藝及模具設計優化、板料鍛造新工藝和材料韌性損傷演化建模。
《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》摘自《鍛造與沖壓》雜志第20期
展開 《Acta Mater》: 層錯能和短程有序對小尺度材料力學性能的影響
通過向金屬單質中添加少量溶質元素形成固溶體，可以達到調控料力學性能的目的。伴隨著溶質元素的引入，材料的多種本征參數會發生變化，這其中包括對材料塑性變形和材料力學性能具有重大影響力的層錯能和溶質元素短程有序性（短程序）。
層錯是一種二維晶格缺陷，層錯能為引入單位面積層錯所需要的能量。降低層錯能會促進位錯分解，變形孿晶，并且抑制位錯交滑移等。短程序為溶質原子在幾個納米范圍內非隨機的排布。提高短程序會導致滑移面軟化效應(Glide plane softening) ，促進位錯的平面滑移。在真實的合金材料中，層錯能和短程序往往同時作用，共同決定材料的變形機制和力學性能。
除了層錯能和短程序以外，材料的尺寸也是一個影響材料力學行為的重要因素。當材料尺寸降低到微米尺度或以下時，材料顯現出越小越強的趨勢，其強度甚至可以達到理論極限。這種尺寸效應主要由于材料缺陷的行為在樣品尺寸微、納米化的過程中發生了顯著的變化。這些改變使得納米塑性展現出許多與宏觀變形所截然不同的現象。然而，在這樣一個特別的塑性變形體系下，目前尚無針對層錯能和短程序這兩個極重要的材料本征參數的系統性基礎研究。
為了探究這個問題，悉尼大學等單位的研究人員采用原位變形電子顯微學，以銅鋁合金為模型材料，系統性地探索了材料尺寸、層錯能和短程序在合金化的過程中對材料多種力學行為的影響。該研究對于認識金屬材料微、納米尺度變形以及進行合金設計具有參考意義。
展開 將超透鏡建模集成到多尺度光學系統仿真中（Frank Wyrowski教授）
除了理論概念的探討之外，本文章還將包含多個仿真和設計示例。在結束這段介紹時，我們希望強調，LightTrans International 在平面透鏡（包括超透鏡（metalenses））的重要性問題上保持中立立場。我們的使命是為您提供強大的軟件工具，使您能夠在工作中探索平面透鏡技術的意義和應用。
圖1：幻燈片#6
第二章
多尺度的光學仿真
幻燈片 #9–10
超表面（Metasurfaces）利用具有高折射率的納米結構（通常稱為meta-atoms或者metacells），排列在折射率較低的基底上。這一方法早已被提出 [2]，但近年來再次引起廣泛關注 [3]。如果希望對該領域有初步深入的了解，建議閱讀 Lalanne 和 Chavel 撰寫的綜述文章 [4]。此外，還推薦 Yang Fan 等人 撰寫的教程 [6]，其中包含大量補充參考資料。
幻燈片 #11–12
由于超表面（metasurfaces）由納米結構組成，顯然幾何光學方法并不適用。相反，必須采用基于麥克斯韋方程組（Maxwell’s equations）的電磁場理論，即通常所稱的物理光學（physical optics）。因此，在透鏡系統中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統透鏡曲面及其他光學元件結合，會形成一個多尺度系統（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學建模方法，通常稱為多尺度光學仿真（multiscale optical simulation）。簡單來說，必須強調的是：多尺度仿真無法僅通過數據接口將多個光學軟件工具連接在一起實現。相反，它需要一個全面的策略，基于高階物理光學理論，為光學軟件提供堅實的理論基礎。對不同尺度的光學系統進行建模，需要在統一的物理光學框架內集成多種不同的仿真模型。
展開 西南大學王明教授課題組Carbon綜述：多界面多尺度電磁屏蔽高分子復合材料的構建、屏蔽機理及研究展望
金屬材料由于其良好的電磁波反射性能是一種傳統電磁屏蔽材料。然而，金屬材料由于密度大、成本高、不耐腐蝕、成型加工性差等缺點限制了其應用發展，而且金屬材料由于較高的電磁波反射率容易造成電磁波的二次污染。因此，導電高分子復合材料（CPC）具有優異的成型加工性、低成本、低密度、耐腐蝕等優勢有望替代傳統的金屬電磁屏蔽材料。然后，傳統的CPC具有較差的電磁屏蔽效能，而且往往需要高的導電填料填充量，使其力學性能變差，很難獲得大規模的應用。因此，如何通過復合材料的結構設計獲得高效電磁屏蔽高分子復合材料是解決問題的關鍵。
展開 設計仿真 | 復合材料多尺度仿真平臺- Digimat 線下培訓
海克斯康工業軟件Digimat復合材料多尺度分析建模平臺能夠幫助用戶完成多種復合材料復雜工程分析，強度非線性失效分析、蠕變、疲勞、沖擊（考慮應變率效應）、NVH（頻率依賴）等，支持的復合材料類型包括：連續纖維（CFRP）、長&短纖維（SFRP）、纖維編織、針刺、晶須、顆粒、片層等增強相和包括樹脂基、金屬基、碳碳和陶瓷基在內的多類基體材料。Digimat提供的軟件接口幾乎涵蓋所有主流有限元軟件，能夠實現耦合分析，大幅提高相關結構的分析精度和能力。
現誠摯邀請您參加6月20、21日在上海舉辦的Digimat仿真分析線下培訓。本次培訓主要講解基于Digimat多尺度理論的SFRP結構的力學聯合仿真分析。培訓涉及Digimat多尺度材料建模理論、材料庫、基于樣件測試結果的材料逆向標定、Digimat與模流軟件以及結構有限元分析的接口以及基于Digimat RP 的注塑產品結構性能CAE分析流程及工程案例。
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
鑒于材料種類繁多且工況復雜，材料數據管理平臺對于大型組織和行業/學術聯盟而言至關重要。在用于物理系統中材料性能的虛擬驗證與確認所需的平臺和解決方案方面，所有新興需求都需要行業、學術界和國家實驗室之間的廣泛合作。
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 線下培訓 | Digimat 復合材料多尺度分析 & Adams 剛柔耦合仿真
培訓目標：
? Digimat軟件功能和工程應用
? 多尺度分析理論以及Digimat的軟件功能實現（含案例操作）。基于上述培訓內容，讓學員建立起CFRP材料體系常用多尺度分析的能力，為相關領域的深入應用提供基礎。
培訓費用：培訓免費 席位有限 現場參加自備電腦
培訓咨詢：龔老師 17721013876
培訓報名：
掃碼立即報名
作為多體動力學分析軟件，Adams擁有廣泛的用戶群體。用戶使用虛擬樣機進行動力學分析，獲取動態載荷，實現多場耦合等，切實縮短產品研發周期，提升競爭力。Adams支持考慮部件的線彈性和非線性彈性，能夠研究部件線性和非線性變形對機械系統性能的影響，也能計算更準確的部件載荷，用于評價結構剛強度和疲勞壽命。Adams剛柔耦合分析功能最終為分析人員提供平衡機械系統強度、靈活性、成本和重量等設計因素的寶貴建議。
此次培訓介紹使用Adams引入結構線彈性柔性體和非線性柔性體，自動生成線彈性柔性體，建立幾何大變形非線性柔性體及Adams-Marc聯合模擬其它非線性柔性等。
培訓大綱：
培訓時間：9月12日-13日
培訓地點：上海閔行區華中路6號七寶德必易園A316室
培訓目標：
? 了解Adams引入柔性體的必要性；
? 掌握Adams引入柔性體的流程；
? 掌握Adams-Marc聯合仿真流程。
培訓費用：培訓免費 席位有限 現場參加自備電腦
培訓咨詢：湯經理 13795389328
培訓報名：
掃碼立即報名
展開 LS-DYNA人工智能多尺度計算技術及其在注塑成型復合材料領域的應用
近年來，短纖維增強復合材料在汽車和電子等工業領域得到了廣泛應用。這類材料通常由注塑成型加工而成，因而產品內部的材料微觀結構（例如纖維方向及體積比）擁有非均勻分布的特點，并且其復雜的微觀結構導致了復合材料在宏觀尺度上表現出各向異性的非線性力學行為。因此，當對注塑成型的產品進行結構分析和性能預測時，傳統的數值方法與材料本構模型往往難以取得令人滿意的計算精度。
最近，LS-DYNA基于人工智能技術發展了一套嶄新的數據驅動多尺度計算技術，該技術集成了注塑成型過程模擬、材料多尺度力學建模、結構非線性有限元分析，以及基于物理的機器學習方法“深度材料網絡（DMN）”。DMN可以通過離線訓練學習隱藏在材料代表性體積單元（RVE）中的微尺度材料物理規律，經過訓練的DMN模型能夠準確地預測復合材料的非線性力學行為，并且其計算速度比傳統多尺度有限元模型快多個數量級。通過對不同纖維分布的微觀結構進行遷移學習，在通用非線性有限元分析軟件LS-DYNA內創建了一個可模擬預測各種短纖維增強復合材料的DMN數據庫。另外，借助前處理軟件LS-PrePost提供的映射功能，可以將模流分析軟件Moldex3D預測得到的纖維分布數據導入LS-DYNA，從而得到能夠對注塑成型復合材料結構進行高效非線性分析的多尺度有限元模型。
展開 LS-DYNA人工智能多尺度計算技術及其在注塑成型復合材料領域的應用
近年來，短纖維增強復合材料在汽車和電子等工業領域得到了廣泛應用。這類材料通常由注塑成型加工而成，因而產品內部的材料微觀結構（例如纖維方向及體積比）擁有非均勻分布的特點，并且其復雜的微觀結構導致了復合材料在宏觀尺度上表現出各向異性的非線性力學行為。因此，當對注塑成型的產品進行結構分析和性能預測時，傳統的數值方法與材料本構模型往往難以取得令人滿意的計算精度。
最近，LS-DYNA基于人工智能技術發展了一套嶄新的數據驅動多尺度計算技術，該技術集成了注塑成型過程模擬、材料多尺度力學建模、結構非線性有限元分析，以及基于物理的機器學習方法“深度材料網絡（DMN）”。DMN可以通過離線訓練學習隱藏在材料代表性體積單元（RVE）中的微尺度材料物理規律，經過訓練的DMN模型能夠準確地預測復合材料的非線性力學行為，并且其計算速度比傳統多尺度有限元模型快多個數量級。通過對不同纖維分布的微觀結構進行遷移學習，在通用非線性有限元分析軟件LS-DYNA內創建了一個可模擬預測各種短纖維增強復合材料的DMN數據庫。另外，借助前處理軟件LS-PrePost提供的映射功能，可以將模流分析軟件Moldex3D預測得到的纖維分布數據導入LS-DYNA，從而得到能夠對注塑成型復合材料結構進行高效非線性分析的多尺度有限元模型。
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