多相材料的案例
晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
這篇文章講解如何使用晶體塑性有限元方法(CPFEM)進(jìn)行不同晶格材料以及多相材料的變形模擬，CPFEM是基于商業(yè)有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構(gòu)模型是使用的開源的UMAT用戶子程序(源碼和inp文件見附件)。采用CPFEM模擬了面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)、體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)和密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)的單晶、多晶及多相材料受到外部載荷時的力學(xué)響應(yīng)。基于滑移原理的晶體變形理論，隨著變形的進(jìn)行各滑移系統(tǒng)的臨界剪應(yīng)力都會增大，CPFEM將捕捉到材料的力學(xué)響應(yīng)(應(yīng)力-應(yīng)變曲線)。這些應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質(zhì)。
首先我們從一個簡單的FCC晶格材料的例子入手，講解如何進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建，從完全新手的角度出發(fā)，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結(jié)果。
本文章包括以下八個部分：
1) FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
2) FCC晶格材料的變形模擬-多晶體
3) BCC晶格材料的變形模擬-單晶體
4) BCC晶格材料的變形模擬-多晶體
5) HCP晶格材料的變形模擬-單晶體
6) HCP晶格材料的變形模擬-多晶體
7) 多相材料的變形模擬
8) 參考資料
1. FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
幾何模型
如圖1.1a在草圖里繪制R0.015mm的圓形，拉伸0.05mm，最后得到如圖1.1b所示的圓柱體(R0.015mm&H0.05mm)。
展開 Abaqus中多相材料不規(guī)則表面輪廓提取
1 前言
在Abaqus切削仿真中，目前多采用二維正交模型來轉(zhuǎn)化和代替各種加工形式。目前對于Abaqus切削仿真的可查資料中，多是模型建立和一些注意事項，對于其后處理過程較少提及。加工表面的粗糙度是表面質(zhì)量評價的一項重要指標(biāo)，仿真得到的微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)觀變化也是切削仿真的一大研究重點。因此，對切削表面的輪廓提取是有必要的。
在Abaqus中，在后處理過程中，輪廓提取可以采用多種方式，例如建立路徑和導(dǎo)出連續(xù)節(jié)點坐標(biāo)。但是多相材料建模通常采用不同的Part最后Assembly得到，建立路徑只能在獨立的Part中進(jìn)行。除此之外，網(wǎng)格劃分與一般的規(guī)則形狀得到的網(wǎng)格也不相同，多相材料劃分得到的網(wǎng)格往往并不規(guī)則，因此導(dǎo)出連續(xù)節(jié)點也是不現(xiàn)實的。因此，要想導(dǎo)出多相復(fù)合材料的表面輪廓需要尋求一種別的方式。
本篇小節(jié)只要針對多相復(fù)合材料的切削表面輪廓進(jìn)行講述，所使用的軟件包括Abaqus、AutoCAD、Excel和Origin。除了Abaqus切削仿真表面輪廓提取，也可對一些其它復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的輪廓提取做出指導(dǎo)意義。
2 提取過程
如圖1所示為所選擇的一個案例的最終切削結(jié)果，其中顆粒和基體是單獨的Part，切削表面并不平整。提取目標(biāo)既最上面的一條輪廓曲線。要求：其中某一條線的實際長度。
圖1 樣件的切削結(jié)果
第一步：在Abaqus Visualization界面下選擇命令Plot Deformed Shape，再點擊命令Render Model: Wireframe，得到如圖2所示的線框圖。
展開 解決多相材料界面網(wǎng)格劃分難問題-界面自適應(yīng)網(wǎng)格-原創(chuàng)帖
在平時做的科研/項目中往往會遇到兩相或多相材料，對于二維模型而言，在ABAQUS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分還是可以完成的，但是對于三維模型這樣的工作量往往是非常大的，或者有時候是難以企及的，浪費大量的時間，消磨人的耐心，在當(dāng)前軟件中完不成的工作，大部分人當(dāng)然會想到借助于第三方軟件Hypermesh/Ansa等網(wǎng)格劃分軟件來完成，但是這又存在一個熟練陌生軟件的過程，還有不同軟件之間的接口導(dǎo)入導(dǎo)出問題，在此不做過多討論。
為了實現(xiàn)多相材料界面的網(wǎng)格劃分，當(dāng)前文章我們采用自適應(yīng)網(wǎng)格（自動調(diào)整界面網(wǎng)格）方法，這個可以:
1 自己編程實現(xiàn)（參考：基于圖像的自適應(yīng)有限元網(wǎng)格劃分方法）；
2 借助于現(xiàn)有軟件實現(xiàn)（OOF2/3D軟件）；
oof2-2.1.12.tar.gz
3 也有一些插件可以實現(xiàn)（Im2mesh (2D image to triangular meshes)類似于OOF2的MATLAB插件）；
im2mesh 1.76.zip
三者功能原理基本相同，那我們肯定選擇現(xiàn)有軟件OOF2/3D（能省則省），在此重點介紹一下OOF2：
它是一款面向?qū)ο蟮挠邢拊浖梢曰谡鎸嵭蚊矆D片建立有限元模型，更可實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)大部分細(xì)節(jié)的捕捉，而且在OOF2的2.0以上版本中可以直接輸出.inp文件，導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行計算和材料性能評估。
展開 LS-DYNA 基于CT掃描的多相材料動力學(xué)仿真
本貼的內(nèi)容是關(guān)于LS-DYNA的高級應(yīng)用，基于真實多相材料的物質(zhì)分布進(jìn)行建模，從而真實模擬多相物質(zhì)的動力學(xué)特性的技術(shù)。
以混凝土材料為例。
首先，獲取CT數(shù)據(jù)。這邊有一個關(guān)于CT數(shù)據(jù)的開源網(wǎng)站https://www.digitalrocksportal.org/
獲取到raw文件后，用avizo軟件打開，并生成二值化的tif圖。
接下來，就是實現(xiàn)多圖向網(wǎng)格生成的關(guān)鍵步驟了，可以參考 淵魚 大佬的帖子，或者自己編程。
一般無法直接生成lsdyna需要的k文件，需要借助其他建模或仿真軟件生成。
然后按照lsdyna的一般建模思路計算。
最后的損傷結(jié)果如圖。
展開 
解決多相材料界面網(wǎng)格劃分難問題-像素網(wǎng)格法-原創(chuàng)帖
對于多相材料界面網(wǎng)格劃分難的問題，上個帖子介紹了自適應(yīng)界面網(wǎng)格法，也給出了方法和技巧，本章再介紹一種規(guī)則網(wǎng)格法，即像素網(wǎng)格法。
而這個方法又分為兩種情況：
1 基于在軟件中建立的理想多相結(jié)構(gòu)；
2 基于SEM圖片（不限于）的真實多相結(jié)構(gòu)；
把第一種情況下建立好的模型截圖保存就成為了簡單的第二種情況，因此，第一種情況其實也可以采用第二種情況下的解決辦法進(jìn)行處理的。
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第一種情況：基于在軟件中建立的理想多相結(jié)構(gòu)
在軟件中建立的幾何模型，往往不像拍出來的真實圖片，不含有多余的結(jié)構(gòu)，而且模型都是符合一定規(guī)則的有序排列組成（即便是隨機(jī)分布），所以我們可以通過自己編程/現(xiàn)有軟件對模型可以劃分出規(guī)則的全部六面體網(wǎng)格。
解決方法1：基于Dig（2d模型好像不行）/flac2d或3d
解決方法2：自己編寫程序或插件
解決方法3：基于oof2軟件
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第二種情況：基于SEM圖片（不限于）的真實多相結(jié)構(gòu)
解決方法1：自己編寫程序或插件
解決方法2：基于oof2/3D軟件
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展開 COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達(dá)西滲流模擬
在實際工程中滲流路徑往往不是單一材料，如滲流發(fā)生在夾雜碎石的土體中，這就造成滲流的復(fù)雜性。這里采用兩項材料通過COMSOL達(dá)西定律模塊對滲流進(jìn)行模擬。
模型采用CAD隨機(jī)球體顆粒&過渡區(qū)插件建立后導(dǎo)入到COMSOL軟件內(nèi)。
模型包括滲流發(fā)生的外側(cè)基體、內(nèi)部顆粒、顆粒及基體過渡區(qū)（ITZ）三部分組成，由于內(nèi)部顆粒的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動。設(shè)置過渡區(qū)的目的是在實際情況中，土體及內(nèi)部碎石顆粒間往往會有孔隙，這就造成了接觸面的實際滲透率遠(yuǎn)高于土體，模型剖切面如下。
模型設(shè)置左右兩側(cè)的水頭差，最終壓力及流速模擬結(jié)果如下。
ABAQUS CT2Model3D Multi-Material插件介紹 ￥2998
可通過AbyssFish BatchImageColorReducer批量圖像減色軟件，基于像素RGB數(shù)值的相似性，將相近像素顏色統(tǒng)一映射為目標(biāo)材料顏色，從而實現(xiàn)多相材料模型的高效預(yù)處理。
需特別說明，該插件可自動生成網(wǎng)格單元、劃分單元集并分配多相材料截面屬性，但未涉及材料屬性定義、分析步設(shè)置、接觸關(guān)系定義及邊界條件配置等關(guān)鍵參數(shù)。上述內(nèi)容需由用戶依據(jù)具體工程需求進(jìn)行配置。
說明提醒
該插件可在 Windows 10 和 Windows 11 系統(tǒng)上運行，支持 Abaqus 2024、2025 及更高版本。
插件需要注冊，注冊完成后即可永久使用。該插件為單機(jī)許可銷售模式，購買后請聯(lián)系我們以獲取許可證。
展開 QSGS四參數(shù)隨機(jī)生長2D軟件 ￥296
（3）重復(fù)上述步驟，直到生長相達(dá)到設(shè)定孔隙率時，停止生長，即QSGS 重構(gòu)多孔介質(zhì)模型完成。
軟件簡介
AbyssFish四參數(shù)隨機(jī)生長2D軟件采用四參數(shù)隨機(jī)生長算法quartet structure generation set (QSGS)，可用于構(gòu)建二維隨機(jī)孔隙圖。
軟件提供圖片長度、寬度；隨機(jī)生長算法的分布概率、生長概率、概率密度（暫不考慮多相材料相互作用，故不支持）、孔隙率參數(shù)，以及圖片輸出的步距，可一次性輸出多張不同孔隙率的圖片。
軟件的適用范圍廣泛，可用于但不局限于微觀孔隙結(jié)構(gòu)、多孔介質(zhì)、復(fù)合材料的建立，凡是幾何圖形類似的都有適用的可能性。
軟件生成的圖片可轉(zhuǎn)為AutoCAD格式，方便導(dǎo)入其他有限元軟件使用，如comsol、ANSYS、Abaqus等。
軟件的參數(shù)修改在“隨機(jī)生長2D參數(shù).xlsx”文件內(nèi)進(jìn)行。
長度（px）、寬度（px）：生成圖像的長寬信息，單位為像素，長度為水平方向，寬度為豎直方向。
分布概率：白色像素散布的概率。
生長概率：白色像素向周圍8個方向的擴(kuò)散概率。
概率密度：多相材料彼此間擴(kuò)散的概率（不考慮材料交互，暫不支持設(shè)置）。
孔隙率：最終白色像素占總像素的比例。
輸出步距：每隔輸出步距的孔隙率對圖片進(jìn)行保存，在img文件夾內(nèi)查看，生成完畢建議復(fù)制保存，避免被下次生成覆蓋。
說明提醒
軟件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態(tài)，注冊請聯(lián)系QQ：1135122921。
展開 基于Digimat的混凝土等效彈性模量研究
隨著計算機(jī)的發(fā)展，針對混凝土的靜、動力學(xué)性質(zhì)已有較多研究，目前對混凝土彈性常數(shù)的預(yù)測所采用的模型較多的是并聯(lián)模型（Voigt模型）和串聯(lián)模型（Reuss模型），但該模型只能得出等效模型的上下限，不能準(zhǔn)確的預(yù)測混凝土的有效彈性模量。馬懷發(fā)等未考慮孔隙對混凝土等效彈性模量的影響。馬輝等從理論上得出了等效彈性模量的解析公式，但忽略了泊松比的影響，結(jié)果存在一定偏差。另外，研究混凝土的力學(xué)特性的試驗也相對較多，但試驗研究的成本高和耗時，且較難得出一般性規(guī)律。
混凝土作為多相復(fù)合材料，文中基于Digimat對混凝土等效彈性模量進(jìn)行研究。Digimat是一種非線性多尺度復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)建模平臺，它是基于Eshelby夾雜理論，采用Mean Field均勻化方法的多相材料非線性材料本構(gòu)預(yù)測工具，在細(xì)觀尺度上，它可以對所有增強(qiáng)相為橢圓形拓?fù)涞?em>多相材料進(jìn)行快速準(zhǔn)確的性能預(yù)測，獲得剛度矩陣和工程常數(shù)，故可基于Digimat較為精確的預(yù)測出混凝土的等效彈性模量以及分析出各組相對混凝土等效彈性模量的影響。
混凝土均勻化方法
2.1 基本原理
解決力學(xué)問題時不能僅停留在細(xì)觀尺度上，因此需區(qū)分兩個尺度：細(xì)觀尺度和宏觀尺度，這兩個尺度是通過代表性體積單元（RVE）來聯(lián)系的。在宏觀尺度上，對于每個宏觀材料點（假設(shè)每個材料點是RVE的中心），為宏觀應(yīng)力和為宏觀應(yīng)變。細(xì)觀尺度上有RVE區(qū)域、體積和邊界條件。RVE應(yīng)該足夠大來代表細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)特性，但相對于整個材料來說也足夠小。RVE在線性邊界條件作用下，宏觀上的應(yīng)力和應(yīng)變等價于RVE區(qū)域內(nèi)細(xì)觀應(yīng)力和細(xì)觀應(yīng)變。文中采用平均場均勻化方法對混凝土進(jìn)行分析，然而，平均場均勻化方法也有不足，它無法得出每個相中的應(yīng)力和應(yīng)變場數(shù)值。
圖1 平均場均勻化過程
圖1為平均場均勻化方法的過程。
展開 基于Digimat的混凝土等效彈性模量研究
隨著計算機(jī)的發(fā)展，針對混凝土的靜、動力學(xué)性質(zhì)已有較多研究，目前對混凝土彈性常數(shù)的預(yù)測所采用的模型較多的是并聯(lián)模型（Voigt模型）和串聯(lián)模型（Reuss模型），但該模型只能得出等效模型的上下限，不能準(zhǔn)確的預(yù)測混凝土的有效彈性模量。馬懷發(fā)等未考慮孔隙對混凝土等效彈性模量的影響。馬輝等從理論上得出了等效彈性模量的解析公式，但忽略了泊松比的影響，結(jié)果存在一定偏差。另外，研究混凝土的力學(xué)特性的試驗也相對較多，但試驗研究的成本高和耗時，且較難得出一般性規(guī)律。
混凝土作為多相復(fù)合材料，文中基于Digimat對混凝土等效彈性模量進(jìn)行研究。Digimat是一種非線性多尺度復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)建模平臺，它是基于Eshelby夾雜理論，采用Mean Field均勻化方法的多相材料非線性材料本構(gòu)預(yù)測工具，在細(xì)觀尺度上，它可以對所有增強(qiáng)相為橢圓形拓?fù)涞?em>多相材料進(jìn)行快速準(zhǔn)確的性能預(yù)測，獲得剛度矩陣和工程常數(shù)，故可基于Digimat較為精確的預(yù)測出混凝土的等效彈性模量以及分析出各組相對混凝土等效彈性模量的影響。
混凝土均勻化方法
2.1 基本原理
解決力學(xué)問題時不能僅停留在細(xì)觀尺度上，因此需區(qū)分兩個尺度：細(xì)觀尺度和宏觀尺度，這兩個尺度是通過代表性體積單元（RVE）來聯(lián)系的。在宏觀尺度上，對于每個宏觀材料點（假設(shè)每個材料點是RVE的中心），為宏觀應(yīng)力和為宏觀應(yīng)變。細(xì)觀尺度上有RVE區(qū)域、體積和邊界條件。RVE應(yīng)該足夠大來代表細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)特性，但相對于整個材料來說也足夠小。RVE在線性邊界條件作用下，宏觀上的應(yīng)力和應(yīng)變等價于RVE區(qū)域內(nèi)細(xì)觀應(yīng)力和細(xì)觀應(yīng)變。
展開 BatchImageColorReducer 批量圖像減色軟件 ￥396
軟件可用于電子背散射衍射技術(shù)圖像 (EBSD)、CT掃描圖像、多組分Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)等圖像的多相材料分區(qū)預(yù)處理。
說明提醒
該軟件可在Windows 7/8/10/11系統(tǒng)上運行。
軟件需要注冊，注冊完成后即可永久使用。該軟件為單機(jī)許可銷售模式，購買后請通過 QQ：1135122921 或微信：AbyssFish_LJR 聯(lián)系我們以獲取許可證。
ABAQUS纖維骨料ITZ孔隙細(xì)觀混凝土模型
本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立包含骨料、界面過渡區(qū)、纖維、孔隙在內(nèi)的多相材料二維纖維混凝土細(xì)觀模型。
采用CAD纖維混凝土2D插件在AutoCAD內(nèi)建立二維纖維混凝土模型，纖維混凝土模型的不同組分已分圖層進(jìn)行繪制，需要對不同圖層內(nèi)容分別另存為dxf文件。
在Abaqus內(nèi)將建立的模型文件以草圖的形式分別導(dǎo)入，這里只展示骨料草圖內(nèi)容。
通過草圖建立二維部件模型，這里展示的是纖維部件。
其中界面過渡區(qū)部件需要將直接導(dǎo)入的過渡區(qū)與骨料進(jìn)行一次切割幾何完成。
將各個部件裝配為整體，將模型中的孔隙部分進(jìn)行挖除。
可對模型中的不同部分分別設(shè)置材料。
CAD隨機(jī)圓形插件 ￥99
可用于如混凝土細(xì)觀模型、多孔材料模型、多孔介質(zhì)滲流模擬、多相材料擴(kuò)散模擬等方面的研究。
三、使用須知
1、軟件使用需注冊，一機(jī)一碼；
2、軟件運行需要安裝AutoCAD（2010~2021均可使用）。
四、樣圖實例
2010版CAD文件，.dwg格式。
隨機(jī)圓形樣圖.rar
V2.0版本已發(fā)布
CAD隨機(jī)圓形骨料插件 V2.0
可直接聯(lián)系QQ：1135122921
獲取軟件及注冊，價格一致
Abaqus混凝土梁三點彎曲開裂模擬基于隨機(jī)多邊形骨料及界面過渡區(qū)模型
在細(xì)觀混凝土開裂研究中，仿真可直觀揭示混凝土中多相材料的破壞特征及微觀裂縫的發(fā)展規(guī)律。本案例建立包含隨機(jī)多邊形粗骨料、界面過渡區(qū)（ITZ）及水泥砂漿在內(nèi)的細(xì)觀混凝土梁二維模型，對混凝土梁在三點彎曲工況下進(jìn)行有限元模擬，展示混凝土梁跨中部位的裂縫發(fā)展情況。
在Abaqus CAE軟件內(nèi)，采用AbyssFish RandomPolygon2D V2.0插件建立多邊形粗骨料、實體界面過渡區(qū)、水泥砂漿三部件混凝土細(xì)觀模型。由于只考慮梁的跨中開裂情況，為了簡化模型的復(fù)雜度，這里只建立了跨中部分的細(xì)觀混凝土模型。
為實現(xiàn)長方形梁模型，手動建立長方形部件，并與插件建立的細(xì)觀混凝土模型裝配為整體，并進(jìn)行相應(yīng)的材料指派。
建立梁支座，并將下部支座設(shè)置為固定約束，跨中添加豎直向下的位移，進(jìn)行混凝土梁的三點彎曲試驗?zāi)M。
對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，跨中部分適當(dāng)加密網(wǎng)格。
創(chuàng)建作業(yè)提交分析并查看結(jié)果。
展開 CAD隨機(jī)圓形生成插件——發(fā)布預(yù)告及意見征求
可用于如混凝土細(xì)觀模型、再生骨科混凝土、泡沫混凝土、多孔材料模型、多孔介質(zhì)滲流模擬、多相材料擴(kuò)散模擬等方面的研究。
插件界面參考：
軟件界面暫定如下，如有其它需求，可在評論區(qū)留言。
插件生成參考：
生成文件樣式暫定如下所示，歡迎提出改進(jìn)意見。
價格及優(yōu)惠：
插件價格暫定388元，具體價格以實際發(fā)布為準(zhǔn)。曾購買過（在該插件的發(fā)布日期前購買）ABAQUS混凝土隨機(jī)骨料生成插件可享受一折優(yōu)惠，。
預(yù)計發(fā)布日期：
插件暫定于2021/09/06日前發(fā)布，具體發(fā)布時間將根據(jù)需求情況動態(tài)調(diào)整。
意見征求：
歡迎各位學(xué)者提出建議及改進(jìn)意見。對于有建設(shè)性的改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)方案將給予最高五折的優(yōu)惠。
插件已于2021/06/15日發(fā)布
CAD隨機(jī)圓形插件
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1806896
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