梯度功能材料的案例
COMSOL FGM模型 功能梯度材料 梯度孔隙建模教程
FGM概念
FGM是功能梯度材料（Functionally graded materials）的英文簡稱，也被稱為梯度功能材料。功能梯度材料(FGM)是一種新型非均勻復合材料,是由性能不同的兩種或多種材料復合成組分和結構呈現連續梯度變化的材料。它要求功能、性能隨內部位置的變化而變化，以實現功能梯度的材料。
從本質上來講，FGM是一種比較特殊的復合材料。
在自然界也有許多功能梯度材料的例子，如竹子、貝殼、骨骼等。
FGM構建
本文采用COMSOL軟件進行FGM模型的構建，以下表現三種不同形式的功能梯度材料模型：
粒徑均勻變化
雙材料擴散
變粒徑分布
建模教程
在COMSOL內建立功能梯度材料可以采用AutoCAD模型導入的方式，這里用到了CAD建模插件。
插件下載：
CAD 功能梯度材料（FGM）2D插件
展開 ANSYS Workbench功能梯度材料FGM
梯度功能材料（Functionally Graded Materials, FGMs）是一種先進的復合材料，其特點是材料的組成、結構以及孔隙率等特性在某個方向上呈現連續或階梯式的漸變。這種變化使得FGM的物理和化學性能在同一方向上也呈現出相應的連續梯度變化。
ANSYS Workbench內建立梯度功能材料模型可以采用CAD功能梯度材料2D插件建模后導入到Workbench內。在插件內設置模型參數后運行即可在AutoCAD內建立梯度分布的隨機圓形模型。
在CAD內將FGM模型構建實體后導出為IGES格式文件。
將模型導入到Workbench內。
可對梯度模型進行后續分析模擬。
CAD 功能梯度材料（FGM）2D插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1874171
展開 ABAQUS三維功能梯度多孔結構材料FGM軸壓模擬
功能梯度多孔材料（FGM）通過梯度調控孔隙率，實現力學性能的連續分布，其彈性模量、強度等呈均勻變化。通過建立梯度多孔結構有限元模型，解析梯度參數對應力場及失效機制的影響，突破傳統試驗限制，優化設計。該研究對航空熱防護及生物醫用仿生植入體等功能化結構具有重要價值。本案例介紹在ABAQUS內建立三維梯度功能材料多孔結構模型，并對梯度結構模型進行軸心受壓力學仿真模擬。
三維梯度孔隙結構模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型建立完成后將梯度孔基體部分導出為iges格式。
將梯度多孔結構模型以部件的形式導入到ABAQUS內。
對模型設置材料屬性，這里采用EasyCDP插件快速生成C20混凝土塑性損傷材料模型并指派給部件。
設置軸心受壓載荷工況，將模型一端固定，另一端指定位移。
對模型劃分網格。
創建并提交作業，查看模擬結果。
展開 CAD球體功能梯度材料3D插件 ￥1999
插件介紹
CAD球體功能梯度材料3D插件可在AutoCAD內建立大小呈現梯度分布的球體及長方體孔隙三維模型。
功能梯度材料（FGM）模型包含大小梯度變化的球體及與之適配的長方體部件，可用于球體材料的梯度分布或梯度多孔結構材料建模。
插件支持設置上小下大、上大下小兩種球體的梯度分布模式，及隨機排布的非梯度模式。插件內置的動力學堆積算法可模擬實際工程中不同粒徑顆粒投放順序下的堆積效果。
插件可設置三組球體粒徑范圍，并可指定球體間的最小間距參數，可用于生成多種不同形態的梯度孔隙結構模型。
使用須知
1、插件使用需注冊，售價為單機許可價格；
2、插件兼容Windows系統，運行需要安裝AutoCAD（2010~2025及以上版本均可使用）。
3、售后及技術支持請聯系微信：AbyssFish_LJR，或QQ：1135122921。
樣圖實例
可下載插件生成的模型樣圖，并進行其他軟件的導入測試及模擬。（CAD2010文件）
球體功能梯度材料3D樣圖.rar
展開 
CAD 功能梯度材料（FGM）2D插件 ￥299
功能介紹
CAD 功能梯度材料（FGM）2D插件提供AutoCAD參數化建模功能，可設置長方形尺寸、圓形比例、圓形間的最小間距、圓形粒徑關于坐標系的分布關系，即R = f(x,y），粒徑的分散模式，是否擴散分布及擴散發生的區域范圍等。插件生成的dwg文件可導入到Comsol、Abaqus、ANSYS、Fluent等有限元分析軟件內，用于梯度材料（Functionally Gradient Materials，簡稱FGM）、傾斜功能材料、梯度功能材料、分子擴散模型、氣體擴散、分散系等模型的構建。也可用于復雜的多空材料、孔隙介質等模型建立。
插件界面
比例：生成的總圓形的面積占矩形面積的百分比，該參數為設計值，若參數設置不合理將無法到達設計比例；當生成的圓形比例達到該設計參數后完成繪圖。
最小間距：該參數為任意兩個圓之間可能達到的最小間距值，該參數設置的目的是為了防止兩個圓形之間距離過小。
超時結束：單位為秒，當超過該設置時間后自動停止，防止參數設置不合理時投放不能完成造成程序無法結束?！俺瑫r結束”與“比例”參數實現了程序運行終止狀態的雙控，當任意一個條件達到時程序均會結束。
粒徑分布：R1及R2為圓形的半徑，兩者設置方式一致，僅為分兩個圖層繪圖，方便后期處理即圓的半徑是關于圓中心點所在坐標的函數。為方便初學者使用，在插件界面中僅列出x，而未指明y，實際使用時x、y均可設置。
CAD樣圖
說明提醒
插件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態，注冊請聯系QQ：1135122921。
對插件如有其它需求可按照需要定制插件。
展開 ABAQUS功能梯度材料FGM模型
功能梯度材料（FGM）作為一種新型復合材料，通過材料內部成分或微觀結構的梯度變化，優化特定性能適應復雜環境，被廣泛應用于高溫防護、結構優化、生物醫學、光電設備等領域。本案例介紹在ABAQUS內建立功能梯度材料模型。
首先采用CAD 功能梯度材料2D插件建立大小呈現梯度分布的AutoCAD模型。
將圓形部分通過拉伸生成三維模型。
同樣將矩形拉伸為三維，并與生成的三維圓柱進行差集操作。并將兩個模型分別導出為iges格式文件。
在ABAQUS內將兩個模型以部件的形式導入。
裝配到一起。
插件也可生成中心梯度分布的模型。
或兩種不同的材料在擴散狀態下產生的梯度分布模型。
展開 COMSOL功能梯度材料中的光線反射
本案例介紹在COMSOL建立功能梯度材料FGM幾何模型，并研究激光在通過梯度材料時的反射情況。
梯度材料模型采用CAD Voronoi FGM V1.0插件生成，CAD模型生成后只保留綠色圖層內容作為梯度材料的反射界面。
在AutoCAD內將圖紙另存為dxf格式文件，并將模型導入到COMSOL內，新建矩形與導入部件進行差集操作，建立梯度材料幾何模型。
對模型設置材料并劃分網格。
選擇二維幾何光學研究，左側邊界設置從邊界釋放，射線方向沿x軸正方向，將除右側邊界外的其他邊界全部設置為鏡面反射。
進行計算并查看光線在梯度材料中的反射現象。
展開 每日一品：200萬元的梯度金屬3D打印機AFS-M120X ，隆源成型新材料研發利器
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在全球3D打印產品庫product.nanjixiong.com里，南極熊注意到隆源成型的梯度金屬3D打印機AFS-M120X。
梯度材料，也稱梯度功能復合材料（Functionally Gradient Materials），是新材料領域的重要發展方向，也是熱點技術“材料基因計劃”的重要研究手段和產物。梯度材料的常規制備方法有化學氣相沉積法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法等，但存在制造效率較低、工藝復雜的問題。因此，利用空間自由度更高的增材制造（3D打印）技術進行梯度材料的制備成為新的趨勢且備受關注。
三帝科技旗下隆源成型自主研發的選區激光熔化設備AFS-M120X能夠在水平方向上實現材料成分的連續變化，實現梯度合金的增材制造，并已取得相關專利。
△隆源成型梯度金屬3D打印設備AFS-M120X
設備特點
供粉系統可實現兩種不同金屬材料的連續梯度精確供粉；
可實現兩種材料在水平方向的梯度連續變化；
特別適用于復合材料的性能研究與開發。
設備參數
△圖：（左）AFS-M120X打印的梯度金屬樣件 ；（右）梯度材料制備示意
隆源成型梯度金屬3D打印設備AFS-M120X采用水平方向梯度供料裝置，實現了二元及二元以上多材料的有效混合，解決了激光送粉（LMD）打印成型精度差、多料缸鋪粉（SLM）打印層與層之間難以形成穩定可控的化學梯度等難題。成型材料的梯度曲線連續可控，可以滿足不同客戶的多種需求。
展開 隆源成型將攜梯度金屬3D打印設備AFS-M120X亮相Formnext
近期，曼徹斯特大學的Lin Li團隊發表了關于SLM和LIFT技術實現梯度功能材料從微觀到宏觀制備的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的靈活性和更大的應用潛力?！比劭萍佳邪l總監趙浩博士認為：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因組計劃’中的一種高效的高通量材料制備及材料篩選方式，即材料篩選模式從‘逐一（1-by-1）’變為‘逐批次（set-by-set）’，微觀上方便了各高校、院所的材料開發工作，宏觀上有助于推動材料科學的發展。”
在國內，三帝科技旗下隆源成型在其推出的專利設備AFS-M120X中實現了水平方向上的梯度粉層穩定鋪放，并結合與之配套的AFSwin-X梯度工藝軟件，能夠滿足分區變速、變功率的梯度材料打印需求，從而實現高精度、可控梯度的FGM零件制造。目前，該機型投入使用2年多，已面向多家科研用戶完成了CoCrMo-316L、梯度高熵合金、Inconel718-316L等梯度功能材料的工藝開發，制備FGM零件20余件、材料表征樣品300余件。
▲隆源成型梯度金屬3D打印設備AFS-M120X
▲梯度材料制備示意
▲梯度粉層鋪放
目前，通過增材制造技術制備的梯度合金均是以垂直制造方向作為梯度變化方向，主要是以層間換粉的方式實現，依然存在組分比例精確控制的問題，無法形成連續梯度。而AFS-M120X設備的出現徹底解決了這一問題，通過該設備制備的梯度合金零件不再是粗糙的小型棒狀試樣，而是具有極高外形精度，結構復雜的連續梯度材料制件。
展開 超高速激光熔覆，來點不一樣的......
它提供的原型零件既能作為產品開發、設計用的概念、性能檢測樣品，又能直接作為功能零件使用。
激光熔覆成型技術能使產品的開發至投入市場的時間極大地減少，并且使產品開發成本極大地降低，尤其能使產品的制造更快速、柔性、個性化、多樣化，在新產品開發和單件小批量生產中具有無可比擬的優勢，便于實現網絡制造，也適合經濟全球化的趨勢，在新型汽車制造、醫療、儀表等民用領域能更高效地制造高精尖零件，在航天、軍工領域能更好地制造高性能特種零件，特別是能制造以往極難加工的梯度功能材料、超硬材料，還能快速制造金屬間化合物材料零件，所以此項技術應用前景廣闊。
目前激光熔覆3D打印出的零件還有些缺點， 比如質量穩定性較差，達不到用戶要求的精度和粗糙度，要對零件進一步加工才行，所以這種技術的局限性導致它沒能更好地應用于生產中。
零件質量穩定性較差的原因有：在制作零件的過程中，一些工藝參數會波動，結果在零件某些地方形成的熔覆帶的形狀和大小不符合預期；當熔覆進行時還會擴大已形成的缺陷，使突起的地方更突，陷下的地方更陷，厚的地方更厚，薄的地方更薄。這樣零件粗糙度和精度均不符合預期，最嚴重的是導致零件不能成型。
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節約了大量的貴重元素。
與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。
展開 梯度納米晶材料的本構建模及微結構調控
強度和韌性是衡量材料性能的兩個重要標準，高強度材料抵抗應力的能力很好，而高韌性意味著材料能承受更多的塑性變形。但是，強度和韌性通常無法兼顧，超強材料往往容易發生應力集中，從而導致韌性很差，容易斷裂。近年來，能夠很好協調強度和韌性的梯度結構材料逐漸興起，并且成為研究熱點，具有很好的應用前景。
梯度結構材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結構的特征。根據不同的材料變形機理和制備工藝，梯度結構被越來越多地應用到工程材料中，比如通過在內部引入不同的梯度微結構（梯度晶粒結構、梯度孿晶結構、梯度位錯結構、梯度相變結構等），使材料具備更高的強度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲勞性能。經過多年發展，目前制備梯度結構材料的方法已經十分豐富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化學沉積、激光沖擊等。
為了更好地發展和應用梯度結構材料，需要預測不同梯度結構材料的力學性能，從而進行優化調整。因此，深入理解梯度結構材料的強韌性機理、微結構演化與宏觀力學響應的關聯，進而建立描述梯度結構材料變形行為的本構模型，成為亟待解決的關鍵問題。
圖1 不同的梯度微結構示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結構材料，金屬學報 51（2015）1-10）
在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構建模及微結構設計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復雜位錯演化機制的尺寸相關晶體塑性本構模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。
展開 
材料物性參數識別的梯度正則化方法.PDF
材料物性參數識別的梯度正則化方法.PDF
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
劉毅 金峰
清華大學水利水電工程系
摘要:為了改善疊層復合材料方板孔周應力分布,采用一種無梯度仿生技術——固定網格漸進優化方法，建立了等限制Tsai-Hill準則——即使孔周的限制Tsail-Hill值更加均勻，來求解切孔形狀優化問題。用各向同性材料方板在二軸拉力荷載下單孔形狀優化的例子驗證了方法的正確性。研究了按照[+/-45度/0度/90度]對稱擱置的碳纖維/環氧樹脂材料準各向同性疊層復合材料方板受單位和拉減荷載的例子。優化后的控形在Tsail-Hill強度值的均勻度上比正方形開孔有了顯著的改善，計算結果比傳統的漸進優化方法更精確和更光滑。
關鍵詞：疊層復合材料，固定網格，漸進優化方法，形狀優化
內容簡介：
1 基于等限制Tsail-Hill值準則的FG ESO方法
2 本文方法驗證
3 準各向同性層合方板開孔形狀優化
3.1 工況 1
3.2 工況 2
4 總結
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化.pdf
展開 金屬所盧磊《Scripta》：加工硬化差異對梯度納米材料的強化作用！
(GNS)金屬材料具有從納米到微米的空間梯度微觀結構，其具有優異的機械性能，如高強度、良好的延展性。
青島大學馬麗春課題組：通過構筑具有剛性-柔性分層結構的優異的多級梯度模量界面層改善碳纖維/環氧樹脂復合材料的界面性能
圖4
復合材料的橫截面微觀形貌
(a-c)
和
EDS
線掃描中碳元素的分布
(d-f)
:
(a,d) CF
，
(b,e) CF-GO
，
(c,f) CF-GO-PA.
最后作者測試了碳纖維復合材料的力學性能，發現界面剪切強度、層間剪切強度、壓縮強度和沖擊強度分別提高了76.8%、46.4%、40.7%和37.8%。在這項工作中，通過接枝剛性氧化石墨烯片和柔性多功能聚合物PA來構造多級梯度模量中間層，提出了一種有效的替代方法來改善碳纖維復合材料的界面強度。CF-GO-PA表面的活性基團、粗糙度、表面能和中間層厚度均得到明顯改善。上述結果表明，這種具有多級梯度模量的剛柔中間結構可以實現比其他先前報道更高的機械強度。而且，中間層可以通過改變PA的聚合時間來調節，設計策略可以擴展到其他系統以適應不同的應用領域
。
圖5 (a)CF /環氧樹脂復合材料的IFSS和ILSS以及(b)界面區域的示意圖.
圖6
(a)
壓縮性能的應力
-
應變曲線，
(b)
壓縮強度和模量以及
(c)
碳纖維復合材料的沖擊性能
.
馮培峰
碩士研究生是該論文的第一作者，
馬麗春
副教授為通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金(No. 51803102和51903129)和山東省自然科學基金(No. 201807070028和201808220020)的資助。
該工作即將于
Chinese Journal of Polymer Science
出版。
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