微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)的實例教程
其中，采用ICEM劃分的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對仿真精度起決定性作用：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的規(guī)整拓?fù)涮匦钥删_捕捉攪拌區(qū)復(fù)雜渦流，確保流場計算結(jié)果可靠性；其邊界層控制能力還能有效模擬近壁面湍流特性。若網(wǎng)格質(zhì)量不足，易導(dǎo)致數(shù)值擴(kuò)散或收斂困難，使仿真結(jié)果偏離實際物理現(xiàn)象。因此，ICEM生成的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是獲得準(zhǔn)確攪拌釜仿真數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。
ICEM結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)特別適合化工機(jī)械、過程裝備專業(yè)的工程師與研究生學(xué)習(xí)，尤其針對從事攪拌設(shè)備CFD仿真的研究人員。該技術(shù)能幫助流體仿真工程師解決復(fù)雜幾何的網(wǎng)格生成難題，對需要精確模擬攪拌流場（如混合、反應(yīng)等工業(yè)應(yīng)用）的專業(yè)人員極具價值。同時，也推薦CAE軟件應(yīng)用工程師學(xué)習(xí)，以提升其處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械網(wǎng)格的專業(yè)能力。掌握該技能可顯著提升多相流、傳質(zhì)傳熱等仿真的計算精度，是從事化工設(shè)備數(shù)字化研發(fā)的核心競爭力之一。
1 導(dǎo)入幾何模型
在SpaceClaim軟件中完成攪拌釜三維建模并保存為專用的design.scdoc文件，隨后啟動ICEM新建項目，選擇導(dǎo)入模型時指定文件為design.scdoc，加載完成后通過取消勾選創(chuàng)建材料點(diǎn)等默認(rèn)設(shè)置完成幾何體載入。該格式可直接保留建模軟件中的幾何特征，無需進(jìn)行中間格式轉(zhuǎn)換，相較于傳統(tǒng)IGES/STEP導(dǎo)入方式更高效。導(dǎo)入后可在左側(cè)模型樹中調(diào)整顯示屬性，并為后續(xù)網(wǎng)格劃分創(chuàng)建對應(yīng)的部件命名。
展開 在生產(chǎn)聚合物產(chǎn)品時，我們所面臨的一大挑戰(zhàn)是要建立起制造工藝與結(jié)構(gòu)分析仿真之間的聯(lián)系。我們需要將生產(chǎn)工藝涉及到的產(chǎn)品屬性作為汽車計算機(jī)輔助工程（CAE）仿真的標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用過程中，必須通過試驗來證明有限元分析（FEA）仿真的準(zhǔn)確性。因此我們選擇 MSC 軟件的 Digimat 對纖維增強(qiáng)塑料（FRP）進(jìn)行仿真。但是，要想獲得非常準(zhǔn)確的有限元分析預(yù)測，就需要細(xì)致的聚合物材料模型，尤其是在無法從供應(yīng)商處獲得確切的材料數(shù)據(jù)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(tuán)隊如何利用來自國際數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)塑料材料輸入對 FRP 汽車內(nèi)飾件進(jìn)行仿真：首先采用商用有限元分析解算器，然后采用 Digimat 的結(jié)構(gòu)分析求解器和集成材料數(shù)據(jù)庫（見圖1）。我們確定了作用在零件（需要在Digimat 中進(jìn)行檢查）上的兩種分別為 140N 的負(fù)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(biāo)準(zhǔn)文本和數(shù)據(jù)庫中獲得的材料屬性進(jìn)行有限元分析仿真）和“現(xiàn)在”（利用從 Digimat 及其微觀結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫獲得的材料屬性進(jìn)行有限元分析仿真）。
圖 1.纖維增強(qiáng)塑料零件的幾何形狀
圖 2.FRP 零件有關(guān)的兩種負(fù)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(shù)據(jù)庫的力學(xué)屬性用商業(yè)有限元分析代碼進(jìn)行仿真。根據(jù)以往的有限元分析經(jīng)驗，我們將這些力學(xué)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(jié)構(gòu)分析預(yù)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(biāo)準(zhǔn)化試塊的拉伸試驗中獲得的曲線），峰值位移變?yōu)?3 mm 左右（圖 5）。
展開 浙江大學(xué)在 SDN 體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)兩方面進(jìn)行了研究。在 2012 年 4 月第二屆全球開放網(wǎng)絡(luò)峰會（2nd Open Networking Summit）上演示了基于 SDN 架構(gòu)的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) XFlow。該體系結(jié)構(gòu)基于功能構(gòu)件化的實現(xiàn)思路并提供了動態(tài)重構(gòu)機(jī)制。通過標(biāo)準(zhǔn)化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件模型采用基于 XML 的技術(shù)實現(xiàn)方式，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能的抽象封裝，同時通過構(gòu)件的更新、升級、加載、卸載及構(gòu)件間的組合實現(xiàn)更靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)功能，并實現(xiàn)基于工作流的構(gòu)件協(xié)同機(jī)制，提供可擴(kuò)展和可重組的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型，從而降低了網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)的復(fù)雜性，并滿足多樣化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。
XFlow 采用管理面、控制面和數(shù)據(jù)面三層松耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方式，XFlow 動態(tài)重構(gòu)機(jī)制允許運(yùn)行時的構(gòu)件的動態(tài)加載、卸載、組合和調(diào)整，使得在運(yùn)行時能夠通過對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的提供和形變來滿足多樣化的應(yīng)用需求，如VLAN 和 QoS 保證等。此外，通過標(biāo)準(zhǔn)化的 NetStore 服務(wù)和協(xié)議提供第三方的開放構(gòu)件庫 和重構(gòu)功能提供服務(wù)。分布式 SDN 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（DNOS）直接管控底層物理網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的可伸縮性、可靠性和響應(yīng)能力。
實驗室研究目前緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈，研制兼容 OpenFlow 協(xié)議的分布式 SDN 控制層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
展開 在本系列專題文章中，將會從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)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(qiáng)度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強(qiáng)度的測試方法》
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)
為了開發(fā)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(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。
碳纖維是通過對PAN纖維進(jìn)行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預(yù)氧化（又叫熱穩(wěn)定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進(jìn)行的，通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理，并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時間內(nèi)施加張力。
圖1 碳纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變
在熱穩(wěn)定化過程中，PAN纖維的線性結(jié)構(gòu)通過環(huán)化、脫氫和氧化等化學(xué)反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪?em>結(jié)構(gòu)。在該階段結(jié)束時，PAN纖維獲得足夠的熱穩(wěn)定性，可以承受碳化處理過程中的高溫。
與熱穩(wěn)定化不同，碳化過程必須在惰性氣氛中進(jìn)行，以防止纖維熱解。在低溫碳化過程中，穩(wěn)定的PAN纖維在高達(dá)1000°C的溫度環(huán)境中，在精確的張力和停留時間下進(jìn)行熱處理。隨后，所得纖維在高溫碳化爐約1600°C左右的溫度以及張力下進(jìn)一步碳化，隨著分子間交聯(lián)和雜原子的去除，穩(wěn)定的PAN聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕迤矫?em>結(jié)構(gòu)。
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微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)的最新內(nèi)容
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結(jié)構(gòu)影響。本文檔使用 Ansys 材料設(shè)計器展示四種不同類型的微觀結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的宏觀尺度材料性能：隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)、體心立方顆粒結(jié)構(gòu)、金剛石晶格結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)。
目標(biāo)
理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀尺度材料性能之間的關(guān)系
步驟
案例1：隨機(jī)單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“材料設(shè)計器”組件。檢查單位。
2.
在金屬材料、陶瓷及復(fù)合材料的微觀力學(xué)研究中，構(gòu)建一個符合統(tǒng)計學(xué)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(tǒng)的建模方法往往面臨重重困難：使用商業(yè)軟件手動分割效率低下；利用專業(yè)建模軟件（如 Neper）雖然強(qiáng)大，但命令行操作和復(fù)雜的參數(shù)配置讓許多初學(xué)者望而卻步；而自編程序生成 Voronoi 鑲嵌模型，又難以精準(zhǔn)控制晶粒尺寸分布和形狀統(tǒng)計特征。
有沒有一種工具，既能保證模型的科學(xué)性
素材來源于網(wǎng)絡(luò)
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聚烯烴工業(yè)中單活性中心催化開辟了新的聚合物合成思路，在特定的應(yīng)用中設(shè)計結(jié)構(gòu)來提高樹脂性能。通過多催化劑和多反應(yīng)器工藝或者通過單活性中心樹脂和齊格納塔樹脂混合擠出都可以改變分子量和化學(xué)組分分布信息。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，可通過改變立構(gòu)規(guī)整度，PE、PP均聚物和EP共聚物的含量等，獲得性能優(yōu)異的PP共聚物。
對于復(fù)雜樹脂的表征是很困難的，它需要多學(xué)科的方法去解決化學(xué)組分和分子量分布的問題。高溫交互作用色譜技術(shù)是分離
<p>透射電子顯微鏡(縮寫TEM)，簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子?xùn)|投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件(如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件)上顯示出來。由于電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達(dá)到0.1~0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬
摘要：
攪拌釜仿真是優(yōu)化化工設(shè)備性能的關(guān)鍵手段，能顯著降低實驗成本并指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)。其中，采用ICEM劃分的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對仿真精度起決定性作用：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的規(guī)整拓?fù)涮匦钥删_捕捉攪拌區(qū)復(fù)雜渦流，確保流場計算結(jié)果可靠性；其邊界層控制能力還能有效模擬近壁面湍流特性。若網(wǎng)格質(zhì)量不足，易導(dǎo)致數(shù)值擴(kuò)散或收斂困難，使仿真結(jié)果偏離實際物理現(xiàn)象。因此，ICEM生成的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是獲得準(zhǔn)確攪拌釜仿真數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)
例如若我們想為具有特定纖維取向狀態(tài)和體積分?jǐn)?shù)的微觀結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練DMN模型，可以基于給定的微觀幾何結(jié)構(gòu)重構(gòu)RVE數(shù)值模型。針對這一RVE幾何結(jié)構(gòu)，可以利用實驗設(shè)計方法（DOE）生成400種不同材料屬性的樣本，其中每一個材料樣本都擁有不同的基體材料剛度，與纖維材料剛度。接下來對RVE模型開展線彈性有限元計算，為每一個材料樣本預(yù)測其宏觀復(fù)合材料剛度。
例如若我們想為具有特定纖維取向狀態(tài)和體積分?jǐn)?shù)的微觀結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練DMN模型，可以基于給定的微觀幾何結(jié)構(gòu)重構(gòu)RVE數(shù)值模型。針對這一RVE幾何結(jié)構(gòu)，可以利用實驗設(shè)計方法（DOE）生成400種不同材料屬性的樣本，其中每一個材料樣本都擁有不同的基體材料剛度，與纖維材料剛度。接下來對RVE模型開展線彈性有限元計算，為每一個材料樣本預(yù)測其宏觀復(fù)合材料剛度。
總結(jié)了SA-TIMs的性能優(yōu)化策略，包括成分優(yōu)化和微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)。特別注意了在調(diào)整SA-TIMs的組成和微觀結(jié)構(gòu)方面的最新進(jìn)展，以促進(jìn)其在工業(yè)技術(shù)中的發(fā)展。本文旨在全面研究其組成、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為高質(zhì)量、低成本的SA-TIMs的設(shè)計、制備和應(yīng)用提供參考。
6、純無機(jī)仿生潤滑水凝膠
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所徐路研究員（通訊作者）團(tuán)隊首次報道了一種僅由氧化石墨烯和水組成的雙響應(yīng)型機(jī)械與摩擦學(xué)自適應(yīng)水凝膠，該純無機(jī)水凝膠能夠基于pH或溫度誘導(dǎo)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使自身機(jī)械強(qiáng)度或摩擦系數(shù)分別急劇或緩慢變化10倍與5倍以上。同時改變外部pH和溫度則能夠誘發(fā)凝膠的機(jī)械與摩擦學(xué)性能發(fā)生更加顯著的變化。
