材料微觀結構建模的案例
金屬增材制造的微觀結構演化建模與仿真
然而，它們面臨一個共同的挑戰–新晶粒成核的建模。金屬3D打印中，成核是一個關鍵問題，遠遠沒有解決。
探索晶粒結構演變
《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文的目的是回顧模擬AM-增材制造過程微觀結構的理論方法。通過實驗中觀察到的為業界提供了控制增材制造過程中晶粒結構演變的不同機制的良好物理基礎。最終，必須根據實驗結果驗證數值模型。
微觀結構建模的基礎是定義明確的溫度場，描述了在凝固前沿對溫度進行建模的不同方法，并討論了它們的具體優缺點。主要部分涉及對晶粒結構演變建模的各種方法，包括對其在實際成分中計算微觀結構的預測能力的重要討論。
雖然金屬增材制造過程看似是一種焊接過程，其中通過高功率激光光束熔化粉末層，或者將金屬粉末注入由激光束產生的熔池中。然而焊接工藝和增材制造之間仍存在重要區別，在金屬增材制造過程中，數百小時內會形成數百條線和數百層。因此，需要觀察到瞬態溫度場，溫度場的疊加，原位熱處理和幾何效應。
直到今天，幾位實驗家都報告了但沒有詳細研究這種現象。晶粒成核的原因之一是偏析的微觀結構被重新熔化。在重熔過程中，可能會發生一些沉淀物或顆粒沒有完全溶解并充當異質核的現象。另外，單元或樹突與熔池之間的粗糙界面，或多或少的均勻熔體（對流）可能會導致強烈的過冷情況，尤其是在樹突間區域內。后一種現象幾乎尚未被探索，并且將來需要進行詳細的研究。
在增材制造中，通常我們都知道掃描策略對微觀結構有很大影響。另外，表面效應對微觀結構有很大影響。
展開 你真的得能講清楚什么是金屬材料的微觀組織結構嗎？（ 金屬材料科學與技術）
1什么是微觀組織結構(Microstructure) ？
當我們描述金屬的結構時，我們應該區別其晶體結構(Crystal Structure)和微觀組織結構(Microstructure)。晶體結構主要用來表示一個晶胞(Unite cell)內原子的平均位置，它由晶格類型和原子的分數坐標（例如，通過X射線衍射確定）確定。換句話說，晶體結構主要用來在原子尺度描述材料的形貌。相比之下，微觀組織結構是在微米—厘米尺度范圍內描述材料的形貌特征。微觀組織結構的一個合理的定義是：“材料內部相(Phase)和缺陷(Defect)的排布?！?微觀組織結構的觀察可以采用一系列的顯微鏡進行。在不同尺度下觀察一個特定的材料的微觀組織結構特征時通常會發現差異很大。基于這一原因，在描述材料的微觀結構時，最重要的是首先確定觀察的尺度范圍。如果尺度范圍選擇不當，就很難得到你想要的結果，也不利于你對材料某些特性的理解和分析。材料微觀組織結構的產生和觀察是一門非常重要的知識，需要認真理解和領會。
隕石的微觀組織結構?
這里需要著重指出，材料的微觀組織結構影響材料的物理特性和行為。我可以通過控制材料的微觀組織結構達到設計材料性能的目的。天然礦物結構可以提供其復雜的歷史信息。微觀組織結構學是所有材料和礦物科學的組成部分。
2還能答出這些微觀組織結構有關的問題嗎 ？
知道“微觀組織結構(Microstructure)”“相(Phase)”“組分(Component)”“缺陷(Defect)”的定義嗎？
鋼的微觀組織結構
您知道如何觀察材料的微觀組織結構嗎？光學顯微鏡的放大倍數和成像原理？普通掃描電子顯微鏡放大倍數和成像原理？
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復合材料因其優異的拉伸性能和輕質特性而備受關注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結構和宏觀角度系統地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結構及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結構
為了開發提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結構是很重要的。生產碳纖維最常用的前驅體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉變過程的微觀結構規律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（又叫熱穩定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經受200至300°C的熱處理，并根據特定前驅體纖維的加工要求在規定的時間內施加張力。
展開 Ansys Workbench | 材料微觀結構：四種 RVE 的均質化分析
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結構影響。本文檔使用 Ansys 材料設計器展示四種不同類型的微觀結構及其對應的宏觀尺度材料性能：隨機單向纖維結構、體心立方顆粒結構、金剛石晶格結構和編織結構。
目標
理解微觀結構與宏觀尺度材料性能之間的關系
步驟
案例1：隨機單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創建一個“材料設計器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設計器中定義微觀結構。選擇隨機單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設置纖維體積分數為0.4，纖維直徑為50μm。創建幾何模型（圖1），并使用默認設置生成網格。
4. 創建一個恒定材料，并求解工程常數。工程常數匯總如圖2所示?？梢杂^察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因為纖維的楊氏模量高于基體，從而增強了縱向剛度。這種微觀結構的典型例子是木材和一些復合材料。
圖1. 隨機單向纖維的 RVE
圖2. 隨機單向纖維結構材料的工程常數
案例2：體心立方結構（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結構 RVE（圖3）。顆粒尺寸設為1nm。生成網格。這種微觀結構是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結構的 RVE
7. 求解工程常數。工程常數概覽如圖 4 所示。
展開 
透射電鏡（TEM）VS掃描電鏡（SEM）：高分子材料微觀結構表征該選誰？
</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>TEM在高分子材料表征中的應用</strong></p><p><strong style="color: rgb(8, 121, 226);">4.1 高分子材料改性研究</strong></p><p><strong>填充改性:</strong>TEM可用于觀察高分子材料中填充物的分布、形態及與基體的界面結合情況，為填充改性提供重要信息。</p><p><br></p><p><strong>共混改性:</strong>通過TEM觀察高分子共混體系的微觀結構，如相分離、相界面、分散程度等，有助于優化共混配比和工藝條件。</p><p><br></p><p><strong>功能化改性:</strong>在功能化高分子材料中，TEM可用于觀察功能基團的引入對材料微觀結構的影響，以及功能化后的性能變化。</p><p><br></p><p><strong style="color: rgb(8, 121, 226);">4.2 高分子材料應用性能評估</strong></p><p><strong>力學性能:</strong>TEM可用于觀察高分子材料的微觀缺陷、裂紋擴展等，評估其力學性能。</p><p><br></p><p><strong>熱性能:</strong>通過原位加熱TEM技術，可以觀察高分子材料在高溫下的微觀結構變化，評估其熱穩定性。</p><p><br></p><p><strong>電性能:</strong>對于導電高分子材料，TEM可用于觀察其導電通道的分布和形態，評估其電性能。</p>
展開 《先進材料》中美合作實現獨立三維細微觀結構，電子器件及形狀可編輯的智能系統
然而，受成型三維結構尺寸及材料種類的限制，現有三維微結構的制備、組裝方法難以滿足當前三維微器件的快速發展需求。2015年《科學》的一篇封面論文報道了一種基于力學引導的三維屈曲組裝方法，依托一個預拉伸的彈性基底作為組裝平臺，能夠實現不同材料（金屬、聚合物、硅等）的跨尺度（微米至厘米）三維結構組裝，為解決上述問題提供了一種新的途徑。不過，該方法需要克服的一個挑戰是如何將形成的三維微結構與彈性基底分開并獨立存在，因為基底的存在很大程度上限制了該方法在機器人，生物醫療器件等領域中的應用。
近日，美國西北大學約翰?羅杰斯（John A. Rogers）課題組與清華大學航天航空學院張一慧課題組合作在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發表了題為Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape‐Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers的研究論文。該成果原創性地提出了基于力學引導三維組裝，利用形狀記憶聚合物（SMP）的固形特性來制備獨立三維微觀結構及器件的新方法。該方法成功地實現了獨立的跨尺度多功能三維結構及器件，為三維微觀結構在未來多領域的應用提供了一條新途徑。
該研究團隊首先闡述了利用力學引導的三維屈曲組裝方法制備多尺度三維形狀記憶聚合物（SMP）結構的可行性。如圖一所示，該研究團隊制作了蝴蝶，章魚，螺旋結構等十多種從微米到厘米尺度的三維SMP結構，這些三維 SMP結構的大小，特征尺寸，以及厚度分別達到500微米，10微米和5微米，超過了已經報道的三維 SMP結構所能達到的尺度范圍。
展開 ABAQUS隨機雙相材料多孔結構建模
對兩個部件指定不同的材料類型，并裝配形成雙相材料幾何模型。
進行網格劃分操作。
設置兩部件之間的相互作用。
設置分析步后對模型添加載荷，這里將下側邊界設置為固定約束，上邊界添加向下的位移，實現模型的受壓狀態模擬。
創建作業并提交分析查看結果。
『轉貼』復合材料結構分析------建模篇
復合材料是一種各向異性材料，對于纖維增強復合材料又是一種正交各向異性材料，因此，在進行復合材料結構建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經驗，對復合材料結構的建模作一個總結。
1． 結構坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結果坐標系
建立復合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用于確定幾何元素的位置，這個坐標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結構坐標系，或單元坐標系，在Ansys程序中，材料坐標是由單元坐標唯一確定的，要確定材料坐標，只要確定單元坐標就行了；結果坐標系是在進行結果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程序中，關于坐標系有人做過專門的總結。見附件。
2． 用于復合材料結構分析的單元
用于復合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內可以包含多層信息，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內，只能包含一種材料信息，而且所得到的計算結果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。
3．
展開 Ansys復合材料結構分析總結（建模篇）
說明：整理自Simwe論壇，復合材料版塊，原創fea_stud。
復合材料是一種各向異性材料，對于纖維增強復合材料又是一種正交各向異性材料，因此，在進行復合材料結構建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經驗，對復合材料結構的建模作一個總結。
1． 結構坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結果坐標系
建立復合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用于確定幾何元素的位置，這個坐標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結構坐標系，或單元坐標系，在Ansys程序中，材料坐標是由單元坐標唯一確定的，要確定材料坐標，只要確定單元坐標就行了；結果坐標系是在進行結果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程序中，關于坐標系有人做過專門的總結。見后。
2． 用于復合材料結構分析的單元
用于復合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內可以包含多層信息，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內，只能包含一種材料信息，而且所得到的計算結果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。
3．
展開 材料的理論斷裂強度 附晶體材料強度與斷裂微觀理論下載
材料力學低碳鋼拉伸試驗中，材料的變形分為四個階段：彈性階段、屈服流動階段、強化階段和徑縮斷裂階段，如圖1，其中當材料經過d點后，材料很快發生斷裂，該點對應的應力σb即為強度極限。但這只是實驗觀察到的現象，它與材料的理論斷裂值還有很大的區別。
假設材料的斷裂是由于原子間距被拉的太遠，超過了極限從而發生的斷裂。我們知道，原子之間的力與原子間的距離存在一定的關系，當原子靠的特別近的時候，原子間存在排斥力，當原子離的比較遠的時候，原子間存在相互吸引力，在某一距離下，原子間的作用力為0，即平衡位置。
現在我們來考慮原子間的力與應力的關系，根據應力的定義
顯然，曲線上的最大值σm即代表原子間的最大結合力——理論斷裂強度，即在理論上認為材料應力超過σm時將被拉斷。作為一級近似，該曲線可用正弦曲線表示。
而實際上，對于純鐵的抗拉強度是只有170～270MPa左右，我們熟知的Q235鋼，其抗拉極限為375～460MPa，Q345鋼的抗拉強度約是490-620MPa，遠遠低于材料的理論斷裂強度。主要原因在于公式(11)表示的是理想材料的斷裂強度，也就是說材料中沒有任何的缺陷。但這是不可能的，材料在冶金、鑄造、加工等過程中難免會產生一些初始缺陷，造成應力集中從而大大降低了材料的強度缺陷。
下載地址：晶體材料強度與斷裂微觀理論
展開 案例分享 | 汽車內飾件結構分析中的微觀結構考量——用 Digimat-RP 優化工作流程
在生產聚合物產品時，我們所面臨的一大挑戰是要建立起制造工藝與結構分析仿真之間的聯系。我們需要將生產工藝涉及到的產品屬性作為汽車計算機輔助工程（CAE）仿真的標準。在應用過程中，必須通過試驗來證明有限元分析（FEA）仿真的準確性。因此我們選擇 MSC 軟件的 Digimat 對纖維增強塑料（FRP）進行仿真。但是，要想獲得非常準確的有限元分析預測，就需要細致的聚合物材料模型，尤其是在無法從供應商處獲得確切的材料數據時。這正是 Digimat 在制造塑料零件方面大顯身手之處。通過案例研究，我們將展示自己的 CAE 建模團隊如何利用來自國際數據庫的標準塑料材料輸入對 FRP 汽車內飾件進行仿真：首先采用商用有限元分析解算器，然后采用 Digimat 的結構分析求解器和集成材料數據庫（見圖1）。我們確定了作用在零件（需要在Digimat 中進行檢查）上的兩種分別為 140N 的負載情況（圖 2）。我們指定了兩個場景，分別稱之為“過去”（利用可以從標準文本和數據庫中獲得的材料屬性進行有限元分析仿真）和“現在”（利用從 Digimat 及其微觀結構材料數據庫獲得的材料屬性進行有限元分析仿真）。
圖 1.纖維增強塑料零件的幾何形狀
圖 2.FRP 零件有關的兩種負載情況
圖 3 所示為采用 Durethan 制造的 FRP 零件的材料屬性，我們首先利用國際塑料數據庫的力學屬性用商業有限元分析代碼進行仿真。根據以往的有限元分析經驗，我們將這些力學屬性降低 20% 左右。圖 4 中顯示了針對選定的不同單元類型所得出的結構分析預測，其峰值位移范圍為 11 至 29 mm。將 Durethan 的材料屬性改為曲線時（即之前從標準化試塊的拉伸試驗中獲得的曲線），峰值位移變為13 mm 左右（圖 5）。
展開 
ABAQUS-微觀結構模型
ABAQUS-微觀結構模型
ABAQUS-微觀結構模型.doc
Abaqus復合材料層壓結構快速建模插件（附多個版本執行程序） ￥200
jslnk" alt="blob.png" height="283" width="312"></p><p> 復合材料方形梁模型</p><p><br></p><p>這種復雜模型一般程序執行只需要十幾秒即可完成。</p><p>4.該插件的安裝</p><p>下載相應版本的插件程序，解壓縮到ABAQUS安裝目錄或者工作目錄下的abaqus_plugins文件夾內，工作目錄下默認是沒abaqus_plugins文件夾的，可以自己創建一個，然后重新啟動ABAQUS，在plug_ins菜單中就可以看到該工具。</p><p><br></p><p>5.插件的使用</p><p>第一步：創建自己的材料模型，比如二位lamina材料模型或者自定義與vumat子程序匹配的材料模型</p><p>第二步：創建一個基準面，就是將來被偏移掃略的面，這個插件的原理是將殼單元偏移生成連續殼單元或者 實體單元，因此，必須要建立一個基準的面，并劃分網格。</p><p>第三步：創建一個坐標系，這一點有點累贅了，早期對于平板結構比較有效，但是對于曲板或者復雜結構，這一點反倒不好用了，大家可以隨意建一個坐標系，然后建好模型后，把orientation那一部分手動刪除，然后自己重新去定義鋪層的orientation就可以，復雜曲面可以用discrete的定義方式，很方便。</p><p>第四步：選擇單元類型，填寫鋪層順序表，選擇是否生成層間cohesive界面單元，如果生成界面單元，則需要指定cohesive單元的幾何厚度，物理厚度，還有創建一個cohesive的材料。</p><p>第五步：提交執行就可以了。
展開 十年實戰經驗，助你快速掌握ABAQUS復合材料結構建模與分析
雖然直播已經結束，沒有趕上的童鞋莫慌，這四場直播的精彩錄播已經在技術鄰學院上架咯~
ABAQUS復合材料分析培訓-一次掌握Abaqus各類復合材料結構建模與分析
第一場直播內容為：
1.傳統復合材料結構建模方式介紹
2.Composite layup快速建模
第二場直播內容：
1.復合材料加筋板結構建模分析（3種加筋方式）
2.蜂窩夾層結構建模與分析：等效彈性常數建模/蜂窩細節建模
3.圓柱坐標系/離散坐標系在復合材料建模中的應用
第三場直播內容：
Abaqus內嵌二維Hashin漸進失效模型詳解及應用
第四場直播內容：
cohesive本構關系詳解及cohesive單元、surface-based chesive的應用
四場錄播課程打包購買只需300元，如果你只是需要補充某場直播的知識點，也可以選擇單獨購買哦~
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第四場課程單獨購買鏈接：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c11920
答疑項目
除了以上視頻教程之外，君莫老師還在技術鄰開通了“收費答疑”和“項目接單”等業務。如果遇到相關技術問題，大家均可到技術鄰向君莫老師請教學習，也可以向老師“預約”答疑或“派單”項目哦。
展開 任意多晶微觀結構生成，GUI操作，模型直接下載
在金屬材料、陶瓷及復合材料的微觀力學研究中，構建一個符合統計學特征的多晶代表性體積單元（RVE）往往是科研工作的第一步。
然而，傳統的建模方法往往面臨重重困難：使用商業軟件手動分割效率低下；利用專業建模軟件（如 Neper）雖然強大，但命令行操作和復雜的參數配置讓許多初學者望而卻步；而自編程序生成 Voronoi 鑲嵌模型，又難以精準控制晶粒尺寸分布和形狀統計特征。
有沒有一種工具，既能保證模型的科學性，又能像“點外賣”一樣簡單快捷？
今天，我們要向大家強烈推薦一個在線神器——Synthetmic。
【核心介紹：什么是 Synthetmic？】Synthetmic 是由赫瑞-瓦特大學（Heriot-Watt University）的 David Bourne 博士開發的一款基于 R 語言 Shiny 框架的在線 GUI 工具。它的核心使命是通過數學算法，快速生成具有特定幾何特性的合成多晶微觀結構。
該工具不僅支持傳統的 Voronoi 鑲嵌，更引入了功能強大的 Laguerre 鑲嵌（權重 Voronoi）算法。這意味著你不再受限于勻稱的晶粒，而是可以生成具有特定體積分布、更接近真實金屬組織的復雜模型。
網站地址：https://david-bourne.shinyapps.io/synthetmic-gui/
【功能亮點：為什么它值得收藏？】
零門檻，全在線操作： 無需安裝任何環境，打開瀏覽器即可完成從參數配置到模型生成的全過程。
高度可定制的統計控制： * 晶粒數量： 自由設定生成 10 到 1000+ 個晶粒。
尺寸分布： 支持對晶粒體積的對數正態分布（Log-normal）進行精準控制，模擬不同加工狀態下的組織。
空間排布： 通過調整點過程參數，控制晶粒的密集程度與均勻性。
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