體素網格
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
體素網格的實例教程
各向同性六角核心網格
一種避免四面體網格中幾何隨機性的技術是用一組笛卡爾對齊的六角立方體或體素替換各向同性四面體。這樣，棱鏡和六邊形單元仍然可以用來解決近體現象，而體素單元可以用來更好地解決一些離體區域包含梯度的問題。由于大小字段會在空間上發生變化，因此通過將體素重復細分為由八叉樹框架控制的八分圓來允許體素細化是合乎邏輯的。
八叉樹方法允許相鄰體素上的面不相交，因為沒有定義明確的連接。正如將要討論的那樣，通過將體素轉換為占據與體素相同空間的六角核心網格來強制執行嚴格的細胞到細胞連接。
根體素
各向同性體素網格化已以三種相似但不同的模式實施到 Fidelity Pointwise 中。這些方法中的每一種都從構建根體素系統開始，其中根體素尺寸很小，同時仍然允許體素大小在 x、y 和 z 方向上保持一致。根體素的初始尺寸是根據用戶設置的范圍框縱橫比計算的。
在外部模式下，塊范圍是用戶指定的，任意數量的用戶選擇的封閉和開放表面網格被插入到塊中，從而產生一個共形網格，其中包含外部和表面的體素和/或內部的各向異性網格塊內部。
圖 1. 外部模式體素網格
在內部模式中，規定了一個封閉的外部邊界和零個或多個封閉和開放的內部邊界，并且在外部邊界內部和可能的內部邊界外部形成體素。雖然這種類型的網格通常表示內部流動幾何形狀，但它們也可以用于外部邊界需要遵守規定的網格或間距的情況，例如當兩個或多個塊彼此相鄰時。
圖 2. 內部模式體素網格
體素細化
一旦根維度和范圍框被計算出來，根體素就會被遞歸地細化以匹配局部尺寸字段。在下面的大綱中，目標級別等于滿足大小字段所需的根體素的二元劃分數。
圖 3. 根體素的初始細化
圖 4.
展開 image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/f08aa2710df04b0fad7f215edb16a30c.png">
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</figure><p class="ql-align-center">靜界有限元連續光滑紗線網格技術</p><p>之所以能達到這個效果，是因為我們開發的截面掃掠生成網格模塊，是從網格技術最基本的思路出發。</p><p>除此之外TexGen采用的是體素網格思路。簡單理解就是先在空間內堆積足夠的均勻網格，然后根據紗線軌跡和截面，把屬于紗線區域的網格定義為紗線，剩下的就是基體。這種思路得到纖維網格是不光滑的，當網格密度低的時候，還會出現纖維不連續的現象。</p><p>前面的方法，算法難度高，但是網格量可控，纖維網格質量高。體素方法，算法難度低，對開發人員來說友好，但是網格量巨大，纖維網格質量差，不適用于宏觀尺度。</p><p>一般來說，容易開發的算法，用起來都不好用。但是由于TexGen名氣實在太大，很多人比較認可，我們決定也基于體素思想，寫一版三維機織復合材料建模軟件。
展開 自適應體素網格：
標準的體素網格創建方式在單元質量和創建時間上有著巨大優勢。
為了減少體素網格數量，從而減少計算量。新版Simufact Additive軟件內置了全新的網格全自動細化方法（由8個較小體素單元組成一個較大單元）
該自動細化方式將使網格能夠很好的擬合零部件上的細小體征，并在較大特征位置自動進行網格粗化。
為了避免零部件及支撐與基板之間的接觸計算，軟件還可以對基板進行網格自適應劃分，從而進一步減少計算時間。
混合制造：
混合制造是將增材制造工藝與傳統制造工藝相結合的制造方法。
例如，在通過傳統工藝制造出的鉆頭座上進行增材制造，從而得到具有特殊輪廓的鉆頭。。
混合制造同時也面臨新的問題：混合制造工藝所產生的應力及變形不僅會出現在嫁接區域，還會波及到整個零件。
此外，不同材料之間的混合制造也非常值得研究。
新版Simufact Additive軟件支持將基材部分定義為“起始點”，并在其之上進行嫁接打印。
借助于該功能，用戶可以對整個組合和每一單一組件的變形和應力分布進行細致研究。
易用性：
易用性提升：窗口部件的子菜單交互邏輯修改。
現修改為通過左鍵點擊的方式打開部件按鈕的子菜
單點擊其他部件按鈕時，子菜單將持續保持開啟狀態
點擊“machine”、“analysis”、“result”等部件按鈕時，視圖將隨之改變
點擊后的部件按鈕，將保持高亮顯示
……
歡迎訪問simufact官方網站：www.simufact.com.cn
chuanhui.wang@hexagon.com
展開 有限元：對于有限元建模，J-OCTA可以使用相分離結構數據創建STL數據、LS-DYNA和Nastran的體素網格。LS-DYNA可以直接在J-OCTA中調用。
（圖11：相分離結構、體素網格以及使用LS-DYNA模擬單軸拉伸）
10. RVE : J-OCTA可以用于構建復合材料的復雜結構，該結構稱為代表性體積單元(RVE)，這一功能支持建立高填充填料的分散結構模型。
（圖12：代表性體積單元(RVE)示例）
11. 費用低：除了VSOP，J-OCTA中大部分求解器都是開源的，建立模型后用戶可以在服務器上免費進行運算。
12. 機器學習：對于數據科學，J-OCTA具有基于機器學習(ML)的定量構效-屬性關系(QSPR)預測功能。該功能可以通過學習化學結構和材料屬性數據之間的關系來預測物理特性（如圖13）。
（圖13：使用ML-QSPR法預測聚合物密度 ）
13. 批處理：為了分析龐大的數據，利用MD建模接口和Python腳本，支持高通量的分子動力學模擬，可以在命令行中構建分子模型并連續執行MD模擬命令。同時，利用Python腳本可以進行多種后處理分析。
14. 后處理：可以將其他軟件（LAMMPS等）的計算結果轉換為J-OCTA格式，以便靈活地輸出想要的結果。
15. 便于學習的幫助文檔：包含案例手冊及用戶手冊。
（圖14：幫助文檔界面）
多達10多種的軟件優勢，在實際應用中是如何工作的，以下將做部分應用舉例。
1. 高分子的交聯結構模擬
（1）利用J-OCTA/ VSOP，模擬DGEBA、44DDS交聯為環氧樹脂的過程（如圖15）
（圖15，Ref: T.
展開 然而，遠離邊界時，不相容應力不那么明顯，這導致比晶界附近的體素更少的滑移活動
為了考慮受到周圍多個晶粒的影響，作者首先計算每個體素網格的最臨界晶粒（最短滑移距離），并作為考慮取向差和晶界效應的指標
該方法認識到，在沿晶界的不同點處，根據進入滑移帶的大小，將存在不同大小的堆積應力
不同滑移系統到晶界區域的滑移距離計算為：
類比霍爾佩奇公式，通過修改滑移系統的初始臨界分切應力引入該參數
其中τo是理論上無限大單晶的臨界解析剪切應力，Lα是使用晶粒中的滑移方向的每個滑移系統α的滑移長度。kα是微霍爾-佩奇系數，該系數還考慮了晶粒間取向差對晶界的依賴性
數值驗證：
考慮了兩種驗證方法。首先，使用二維（厚度一個體素）雙顆粒模型來演示所提出的模型如何影響解析的剪切應力和滑移傳遞。
其次，模擬了高分辨率電子背散射衍射（HR-EBSD）實驗的二維（單體素厚）重建，提取并比較了兩個晶粒的組合，以確定實驗中的殘余彈性應力與所提出的模型預測的殘余彈性力的比較情況。
研究中使用的材料是316L不銹鋼，它是面心立方（FCC）；因此，滑移可能發生在12個滑移系統上（｛111｝＜110＞）
只用一組滑移系開動的雙晶模型
三維模型：
模擬得到的尺寸效應效果
需要注意的是當前模型不會考慮考慮變形過程中晶粒變形的影響（體素網格變形過程中與晶界距離保持不變）如果向結構施加大的載荷，則晶粒有可能發生顯著程度的變形。這將導致晶粒的旋轉和形狀變化。由于所提出的方法考慮了方向和幾何形狀對局部變形的影響，并且如果變形足夠顯著，導致這些特征發生劇烈變化。
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體素網格的最新內容
這里展示使用“非匹配網格下的周期性邊界”的二維和三維復雜模型的非體素網格的周期性模擬結果：
二維模型：
拉伸變形結束后的模擬結果：
等效應力分布：
累計剪切滑移：
三維模型：
拉伸變形結束后的模擬結果：
等效應力分布：
累計剪切滑移：
周期性位移確認：
位移U2：
位移U3：
可以看到，位移分布特征
</p><p class="ql-align-center"><strong>體素思路的實現</strong></p><p>我們之前已經能夠得到光滑的纖維網格了，所以體素方法對我來說很簡單。
圖9 線圈之間縫隙的網格約束
本案例使用簡化等效的塊來建立線圈和鐵芯模型，EC正在開發體素化、貼體網格功能，其后續版本將可以直接對導入的線圈和鐵芯進行模型打散、貼體網格劃分，如下圖所示。
Cradle CFD由兩個模塊/求解器組成：
? scFLOW適用于需要極高精度的應用
使用scFLOW中新的體素擬合網格方法/算法，可以直接從不完善的CAD數據生成CFD網格。該算法可以在網格劃分過程中自動修正不封閉的CAD模型，薄間隙，重疊和其他缺陷。
插件采用體素網格方式，通過背景網格將砂漿、骨料、ITZ劃分為三個集（Set），并對單元映射三種空材料。
插件支持設置長方體部件的長度(Length)、寬度(Width)、高度(Height)，以及在網格劃分中單元的尺寸(Element size)。
體素越小，網格越細致，單元數愈多，耗時越長，但是誤差也越?。ㄟ@種情況不包括公因子，如果體素塊按公因子設定，就與原部件宏觀尺寸無偏差）向原部件逼近。
遍歷單元數可由剛好包裹原部件的box的體積與體素塊的體積之商粗略計算得出。
操作對象：單一part，不適用于殼模型。
體素大小按尺寸定義。
與上一個插件類似，計算效率不高。
體素宏觀尺寸與原部件可能存在偏差。
</p><p>如圖所示，文件的導出主要有以下幾種，分別為表面網格，體積網格，tetgen網格（texgen織物模型的網格劃分主要是利用tetgen的網格劃分技術），體素網格，abaqus干織物文件，.iges, .step, .grd, .vol。
研究中使用的材料是316L不銹鋼，它是面心立方（FCC）；因此，滑移可能發生在12個滑移系統上（｛111｝＜110＞）
只用一組滑移系開動的雙晶模型
三維模型：
模擬得到的尺寸效應效果
需要注意的是當前模型不會考慮考慮變形過程中晶粒變形的影響（體素網格變形過程中與晶界距離保持不變）如果向結構施加大的載荷，則晶粒有可能發生顯著程度的變形。
在第一階段，優先開發面向零件（如葉片、盤、葉盤/葉環和燃燒室等）的增材制造數值仿真模塊，主要用于大規模增材制造零件的翹曲變形與開裂預測、表面質量和成形尺寸精度控制等，提升一次打印成功率，需在已有有限元強度分析模塊基礎上，增加“生死單元”、基于體素的有限元網格劃分、固有應變優化算法、增材制造仿真模板等功能。
傳統基于體素或表面網格的仿真模型，其精度與計算效率之間存在矛盾。將球頭銑刀簡化為球面，坯件采樣為表面點云模型，仿真銑削加工過程，每次仿真步進后若坯件模型上的點穿過銑刀球面，則坯件對應部分被切削。將刀具對工件的切削近似為“擠壓”過程，引入坯件表面法線使坯件點云中的點沿其法線負方向移動，避免坯件點持續移動過程中的誤差積累，提出“外偏角”處理方法，解決“擠壓”移動方法所產生的邊界點“外偏”問題。
