跨尺度模擬的案例
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
通過現場互動交流，與會者深刻感受到了DEMms軟件在模擬復雜顆粒系統時的精確性和高效性。</p><p><br></p><p>中科院過程所 葛蔚老師 開展DEMms培訓</p><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/43050b965d3d8786d3a8ed18f57eaafa556101746.png@.webp" alt="read-normal-img"></p><h2><strong>案例：方錐形旋轉混合器結構優化</strong></h2><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/7401081f8ebb8288fb97d65a1b369dc1556101746.png@.webp" alt="read-normal-img"></p><h2><strong>案例：氣固循環流化床全回路模擬</strong></h2><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/323f980da4f02793b03a01e5bfd7dc9e556101746.png@.webp" alt="read-normal-img"></p><p><br></p><p>目前該軟件目前已更新到第7版，并獲得了多項軟件著作權。積鼎科技表示，將繼續與中科院過程所緊密合作，不斷優化和完善DEMms軟件，輔助高效建立虛擬工廠和高水平的數字孿生系統，為實現顆粒、設備和工廠等跨尺度模擬，完成從飛秒到小時、從埃到米等跨時空尺度的過程仿真提供高質量的解決方案。
展開 江蘇科技大學《CS》：碳纖維復合材料鉆孔過程動態漸進破壞的跨尺度模擬
圖10 鉆孔碳纖維復合材料的跨尺度模型
小結
本研究探索了一種綜合跨尺度建模方法，利用TDR精確模擬碳纖維復合材料鉆孔的動態漸進破壞行為。基于ABAQUS/Explicit軟件建立了T700S-12 K/YP-H26碳纖維復合材料層合板鉆孔數值模擬方案，利用自定義材料子程序VUMAT分別預測了層內損傷演化和層間分層。通過一系列實驗，從打孔質量評價指標毛刺、分層因子等方面驗證了模型的尺寸跨度。主要結論如下:
（1）與實驗結果相比，所建立的跨尺度鉆孔有限元模型在預測推力和扭矩時精度較高，最大偏差分別僅為3.43%和7.69%。
（2）轉孔的不同類型的損害行為可以得到模擬,如撕裂損傷、毛刺、撕裂等。
（3）最大平均推力和扭矩、毛刺、分層損傷隨著進料速度增加突然增加,而隨著主軸轉速的增加而逐漸減小。
原始文獻：Liu Y, Li Q, Qi Z, Chen W. Scale-span modelling of dynamic progressive failure in drilling CFRPs using a tapered drill-reamer[J]. Composite Structures, 2021, 278:114710.
展開 OAS跨尺度仿真精準實現
性能優化
通過 OAS 專項功能針對性解決投影物鏡傳統設計痛點：針對多組透鏡引發的像差耦合問題，啟用軟件像差自動校正與多配置優化算法，結合 MTF、點列圖、波前圖等專業像質評估工具，優化透鏡材質組合與面形參數，實現球差、色差的精準校正，顯著提升邊緣視場成像清晰度；
針對系統內鬼像、散射等雜散光干擾，利用雜散光分析模塊識別光學表面反射、支架散射等干擾源，優化透鏡增透膜層設計并增設遮光結構，有效降低雜散光對成像對比度的影響；針對高數值孔徑設計下的波動光學效應，通過 OAS 波動光學模塊實現偏振光線追跡與電場振幅、相位分析，精準模擬亞波長衍射效應，保障高分辨率成像需求。
投影物鏡
惠更斯PSF
波前圖
點列圖
總結
本案例通過 OAS 光學軟件的跨尺度仿真、光機一體化建模及多目標優化功能，成功突破投影物鏡傳統設計的技術瓶頸，實現了像差精準校正、雜散光有效控制與光學性能的綜合提升。相較于傳統設計流程，OAS 的高精度虛擬仿真能力大幅縮短了投影物鏡的研發迭代周期，降低了物理原型制作成本，驗證了方案的可靠性與實用性。該方案為光刻、投影顯示等領域的投影物鏡高精度設計提供了高效的技術支撐，助力高端光學成像系統的研發升級。
展開 OAS軟件跨尺度仿真來助力
AR?HUD 衍射波導案例分析
簡介
AR?HUD 衍射波導是車載增強現實顯示的核心光學組件，通過納米級衍射光柵與平面波導協同工作，完成投影光機圖像光束的高效耦入、全反射傳輸、擴瞳與耦出，實現導航、預警等虛擬信息與真實路況的精準疊加，顯著提升駕駛安全性與智能座艙交互體驗。傳統設計依賴多軟件協同與物理迭代，周期長、成本高、精度受限，本案例依托 OAS 光學軟件完成全流程仿真，為 AR?HUD 衍射波導的高效設計與性能優化提供可靠方案。
案例設置與操作
模型構建
基于 OAS 軟件光波導模塊與 CAD 建模內核，搭建 AR?HUD 衍射波導完整 3D 模型，精準還原波導基板關鍵參數，匹配實際工程加工標準。軟件自動生成衍射光波導初始模型，支持 k 空間可視化與光柵結構參數化編輯，可快速導入實測輪廓數據或自定義光柵形貌，完成耦入 / 耦出 / 擴瞳光柵的一體化建模，確保系統裝配關系與光路傳輸路徑高度貼合實裝狀態。
探測器與參數設置
對 OAS 軟件分布式探測器進行精細化配置，依據車載 AR?HUD 視場、出瞳直徑、眼動范圍與工作波段設定接收區域、光線閾值與采樣密度。開啟偏振分析、衍射效率計算、足跡分析及 PSF/MTF 評估功能，精準捕捉光束耦入、波導內全反射、擴瞳及耦出全過程的光場分布、能量衰減與像質變化，保障仿真數據的客觀性與針對性，為系統性能量化評估提供穩定可靠的檢測基礎。
分析優化
采用 OAS光線/光束序列/非序列追跡，完成從投影光機到眼盒的全系統非序列仿真，生成 3D 光束傳播追跡圖，直觀呈現衍射、反射與擴瞳路徑。依托輻照度、衍射效率、視場均勻性與像質分析工具
展開 
IJP：從RVE到組件的跨尺度預測
為了克服多尺度模型在單個尺度上預測的不足，來自凝固加工國家重點實驗室的Xinxin Sun等人將元胞自動機晶體塑性有限元法和人工神經網絡巧妙地結合起來，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預測模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結構演變，如動態再結晶(DRX)，用于解釋RVE的響應。為了反映應變率、溫度、微觀結構和變形模式對響應的依賴性，對RVE施加了大量恒定和變化的加載路徑。所有的響應(包括力學和微觀結構的響應)形成了一個巨大的數據庫，在此基礎上，通過訓練、驗證、測試和循環優化，建立了具有Marquardt-Levenberg (M-L)算法的反向傳播(BP) ANN模型。人工神經網絡模型的輸出設置為微觀結構演變(包括DRX體積分數和平均晶粒尺寸)和取決于加載路徑和微觀結構的J2-JBOY3樂隊本構模型的動態變化的宏觀尺度參數，然后應用于有限元模型以預測部件的響應。因此，建立了一座橋梁來連接RVE和組件的響應。反過來，部件局部區域的變形歷史也可以應用于RVE，以進一步研究微尺度變形機制和微結構演化。利用跨尺度模型，得到了反映各向異性、拉壓不對稱性、應變率、溫度、微觀結構和變形模式依賴性的結果。它得益于基于物理的CACPFEM、依賴于變形條件和微結構演化的J2-JBOY3樂隊本構模型、優化的ANN模型以及它們的創新組合。優化策略保證了跨尺度預測的準確性。跨尺度模型在旋轉坯料單軸壓縮中的應用以及在新形狀坯料的屈服面預測和鍛造過程中的推廣，表明了該模型的跨尺度預測能力。
圖1 跨尺度模型的框架
跨尺度模型的框架，如圖1所示，該框架基于四個部分和三種優化方法的組合。
CACPFEM用于數據樣本生成:CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形、力學響應和微結構演化之間的相互作用。
展開 空間大跨桁架結構多尺度節點有限元分析
空間大跨桁架結構多尺度節點有限元分析
2026 | OAS光學軟件-幾何光學與波動光學跨尺度仿真
該軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。它不僅提供了真實的設計功能、精確的分析功能，還具備高性能的產品可視化能力，幫助用戶快速、高效地創建和修改光學系統設計，從初始概念階段到后續工程建造階段的迭代與優化。此外，軟件構建的光學模型能夠自動適配主流供應商的光學元件數據庫，為光學研究與實踐提供了極具價值的專業工具支持。
應用領域
OAS光學軟件在汽車制造、通信工程、虛擬現實、安防監控、工業檢測、光學儀器研發以及激光加工等眾多領域都有著極為廣泛且深入的應用。其憑借著先進的算法和強大的功能模塊，能夠精準地模擬光線傳播、分析光學系統的性能，為各領域的光學設計項目提供全面且高效的解決方案。
軟件主界面
軟件特色
OAS光學軟件支持從幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，實現幾何光學下的序列與非序列光線追跡，以及波動光學的全維度分析，能夠滿足車燈設計、鏡頭像質評估、微納光學器件、激光應用系統、光波導系統等前沿領域的需求，為客戶提供全面且專業的解決方案。
02/幾何光學
在幾何光學領域，OAS 軟件基于光線追跡核心算法，為光學系統的研究與設計提供了高效、精準的一體化分析手段。
成像設計解決方案
光學軟件為成像系統設計提供從建模、優化到分析的一體化平臺。它支持從基礎透鏡到復雜多重結構系統的建模，可靈活設置孔徑、視場等關鍵參數并進行實時光路預覽。軟件內置優化算法，支持像差自動校正、多配置優化和公差分析，能針對多目標進行自動化迭代優化。在分析方面，軟件提供全面的像質評估工具，包括MTF、點列圖、波前圖等，支持對成像系統的核心性能進行專業評估。
展開 OAS光學軟件跨尺度仿真來助力
OAS 憑借跨尺度仿真、一體化光機建模及全面性能分析能力，可為 DMD 投影燈及同類數字光學系統提供從概念設計到工程驗證的完整解決方案，有效縮短研發周期、提升產品性能與可靠性。
多尺度晶體塑性模擬文章推薦
為解決這一問題，作者提出了一種并發多尺度建模方法：宏觀結構層面采用顯式有限元模擬方管壓潰；每個積分點內部嵌入一個由多個 FCC 晶粒組成的多晶聚集體；晶粒層面采用 Marin 晶體塑性模型描述滑移、硬化和晶格旋轉；最后通過 Taylor 型均勻化獲得積分點平均應力。這樣，宏觀有限元計算不再只依賴經驗塑性曲線，而是能夠實時考慮晶粒取向和織構演化對結構響應的影響。
文章中，作者首先通過單元模型分別施加拉伸、壓縮和簡單剪切，生成不同初始織構；隨后將這些織構賦予方管模型，并進行軸向壓潰模擬。
結果表明，雖然不同織構對整體折疊形貌的影響并不總是非常顯著，但對壓潰力–位移曲線、平均壓潰力和能量吸收能力具有明顯影響。尤其是在角部、水平鉸線和錐面等局部大塑性區域，晶粒取向會持續演化，形成不同的局部織構模式。文章還指出，拉伸織構和壓縮織構在不同壓潰模式下表現出不同的吸能優勢，這說明“材料制造歷史”并不是可以忽略的背景信息，而是可能影響結構服役性能的重要因素。
這篇文章對我們的啟發在于：晶體塑性并不只能用于單晶拉伸、RVE 或微觀變形分析，也可以嵌入顯式動力學框架，用于研究真實工程結構中的局部變形、吸能和織構演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統本構更豐富的物理信息。
我們可以將我之前推文提到的umat-taylor模型轉化為vumat子程序，進一步使用晶體塑性模型模擬大變形結構尺度材料變形行為。案例展示如下：
初始模型參考文章的設置（上下兩層鋼板，中間為薄殼結構）：
使用通用接觸，摩擦系數設置為0.5，共4000個單元，每個單元包含50個具有不同初始取向晶粒。共20萬晶粒。
展開 儲層巖石孔隙尺度的化學輸運模擬
這些分析的目的是為提高我們對流體通過可變孔隙尺度運動方式的理解和表征。
本項目使用真實結構的micro-CT圖像數據，在Simpleware軟件中進行可視化和處理，生成網格化的3D模型，然后將其導出至仿真軟件中研究化學輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結構的 micro-CT數據；
在Simpleware ScanIP中進行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結構生成高質量的多相網格；
在仿真軟件中進行孔隙尺度化學輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學院孔隙尺度模型（PERM）聯盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數據，獲得孔隙空間和微觀結構的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數據轉換為基于3D體素的幾何結構，為網格劃分做準備。由于CT掃描通常會產生噪音，此步驟的處理極其復雜。為了渲染構造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數據的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩健的CFD網格，并直接導出至 仿真軟件。
圖：使用Simpleware FE模塊生成網格化的多孔結構模型
然后將網格化的多孔介質模型導入商用偏微分方程（PDE）求解器中求解 Navier-Stokes 方程，計算絕對滲透率等基本參數。
展開 氧化鋁沖擊動力學原子尺度仿真模擬
氧化鋁沖擊動力學原子尺度仿真模擬
微觀宏觀多尺度模擬
微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產生
裂紋擴展
通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
然而，由于復雜的物理性質和微觀效應，從原子尺度到微觀尺度的探究對界面熱運輸的原理仍然知之甚少。
隨著界面密度的增加，熱運輸不僅取決于材料本身的特性，還取決于熱界面的條件。在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
展開 庭田科技誠邀您參與10月J-OCTA軟件專題研討會！
導語：作為一款跨尺度分子動力學軟件，J-OCTA能夠從原子級到微米級的范圍內對橡膠、塑料、薄膜、涂料及電解質材料等的開發所需的材料特性進行預測的“材料物性分析軟件”。也可以將其作為“知識發現工具”用來理解那些在實驗中無法完全把握的復雜現象和材料物性。
計算物理學作為探索微觀和納觀世界的規律方法，使研究人員更加細微的掌握復雜材料特性和現象，而這些現象是無法通過實驗結果獲得的。
J-OCTA作為一款跨尺度分子動力學軟件能夠實現從本質上理解材料組分與性能間的關系。更能從原子級到微米級的范圍內對橡膠、塑料、薄膜、涂料及電解質材料等的開發所需的材料特性進行預測。J-OCTA通過在共享平臺上與面向各尺度開發的模擬器合作，為材料設計與新材料開發提供最尖端的技術支持。
（圖1：軟件架構）
J-OCTA作為計算軟件優于其他軟件的地方在于J-OCTA中所有輸入數據和計算結果都對用戶開放，便于定制運算。J-OCTA通過開源多尺度仿真平臺用UDF文本傳遞數據、利用并行求解器+功能擴展及外部擴展器解析，將所有所有功能集成到GUI界面中，為用戶使用提供了較大便利。
（離子液體的MD模擬）
（全原子及粗粒化模型示意圖）
如果您對分子動力學或J-OCTA軟件產生興趣，我們誠摯的邀請您參與我們于10月將開展的《全生命周期材料解決方案：J-Octa 與 Avizo 的多尺度分析研討會》，本次活動我們將攜手JSOL公司與賽默飛世爾科技MSD材料結構部門（原FEI公司）共同舉辦，并匯集新材料及其CAE行業的領先人物，這是一場專業的學術盛會，將為您提供前沿知識和優質的交流平臺。
展開 VirtualLab Fusion創始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學模擬與設計
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