梯度多孔結構建模的案例
COMSOL三維梯度多孔結構滲流模擬
三維梯度多孔結構（FGM）是一種孔隙率、孔徑等參數在三維空間內呈梯度分布的多孔材料。梯度孔隙結構的研究可優化傳熱傳質效率，調控流動路徑，提升能源存儲與材料性能，為復雜系統設計提供關鍵理論支持。本案例介紹在COMSOL內建立三維球體梯度孔隙結構模型，并進行滲流仿真模擬。
梯度多孔介質FGM模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型在AutoCAD內建立完成后導出為sat格式文件。通過插件可靈活控制孔隙率、梯度、孔徑分布及最小間距約束，生成符合實際工程需求的梯度孔隙結構。
將建立的三維梯度孔隙模型導入到COMSOL軟件，在COMSOL內定義流體屬性物理域后，需明確流體物性參數（如動力黏度、密度），為后續仿真提供基礎條件。
對模型添加滲流研究，設置邊界條件并劃分網格。網格劃分需兼顧計算效率與精度，并確保流動細節的捕捉能力。
提交計算查看流體在梯度多孔介質中的壓力及流速模擬結果。
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 ABAQUS多孔結構建模2D
ABAQUS二維隨機多孔結構建模，可有效表征孔隙隨機分布與連通特性，結合有限元方法精確模擬在復雜載荷下的力學響應與損傷演化過程，或進行孔隙區域內的流體模擬滲流分析。本案例介紹在ABAQUS內建立隨機分布的多孔結構二維模型。
多孔結構模型采用單連通周期邊界多孔結構2D軟件參數化生成，模型為png格式的圖片文件。
采用CAD圖像導入插件將多孔結構模型導入到AutoCAD內轉換為CAD文件。
將CAD文件進行面域生成預處理后導出為iges格式文件，并導入到ABAQUS內建立部件。
在部件編輯中將模型空間更改為二維平面。
新建一個與原模型尺寸相同的矩形部件，并在裝配中與導入的部件進行切割幾何操作，建立多孔結構二維模型。
也可與導入的部件裝配建立孔隙＋顆粒兩相材料模型。
可進行網格劃分及完成后續的多孔結構仿真模擬。
展開 ABAQUS三維多孔結構建模插件QSGS3D V2版本 ￥598
插件介紹
QSGS3D V2.0 - AbyssFish 插件可在Abaqus2024及以上版本軟件內基于Quartet Structure Generation Set（QSGS）隨機生長四參數生成法構建三維多孔介質雙相材料，插件可指定生成試件的長度、寬度、高度以及劃分的網格單元尺寸。可控制隨機生長四參數中的分布概率(Distribution probability)、生長概率(Growth probability)及體積分數(Volume fraction)。由于未涉及到多相生長之間的相互影響，故不需要考慮交互生長概率(Interaction growth probability)參數。
QSGS原理
1． 在設定范圍內隨機布置指定數量的種子作為生長核。
2． 給定相應的生長概率，使得生長核在鄰域范圍內以一定概率向周圍擴展生長并形成新的生長核。
3． 迭代（2.）步驟，直到生長核擴展到指定的體積分數結束程序。
模型展示
插件可基于隨機生長四參數法生成具有周期性邊界條件（Periodic Boundary Condition，PBC）的代表性體積單元（Representative Volume Elementary，RVE）模型等。
可將生成的模型創建網格部件后刪除孔隙單元來實現多孔結構并進行模擬分析。以下為多孔結構的軸心受壓應力及位移模擬結果。
適用版本
插件可運行在Windows10、11系統上，支持Abaqus2024及以上版本。
展開 
ABAQUS隨機雙相材料多孔結構建模
首先采用AbyssFish四參數隨機生長2D軟件V1.3版本隨機生成一張模型圖像。
通過CAD圖像導入插件將圖像導入到AutoCAD內，并將圖像的黑白區域分別處理成三維部件，并導出為iges格式文件。
在Abaqus CAE軟件內，將兩份iges文件導入。
對兩個部件指定不同的材料類型，并裝配形成雙相材料幾何模型。
進行網格劃分操作。
設置兩部件之間的相互作用。
設置分析步后對模型添加載荷，這里將下側邊界設置為固定約束，上邊界添加向下的位移，實現模型的受壓狀態模擬。
創建作業并提交分析查看結果。
ABAQUS單連通域多孔結構建模
多孔結構由于其復雜的幾何形態和分布特性，使得其力學行為難以用傳統方法精確描述。本案例介紹在ABAQUS內建立單連通域多孔結構模型，并研究其復雜結構內部的應力、應變分布以及變形模式。
本案例中多孔結構模型采用AbyssFish單連通域周期邊界多孔結構2D軟件V1.0隨機生成，模型也可采用照片或掃描圖。
采用CAD圖像導入插件V1.1版本將圖片導入到CAD內形成閉合線條。
將模型建立面域并形成多孔結構模型。
將模型以部件的形式導入到ABAQUS內。
根據研究內容為模型添加材料。
設置約束及載荷，上部設置豎向位移。
為模型劃分網格。
提交作業并查看模擬結果。
展開 ABAQUS三維多孔結構建模及軸壓力學模擬
多孔結構由孔隙及固相所組成，在建筑結構、生物醫學等領域應用廣泛，多孔材料的力學性能對其應用場景至關重要。本案例采用CAD隨機球體插件專業版建立三維多孔結構圓柱體模型，并將模型導入到ABAQUS內進行力學模擬，分析多孔材料在軸向壓力作用下的破壞特征。
首先采用CAD隨機球體插件專業版V1.3在AutoCAD內建立多孔結構三維模型，插件可設置孔隙是否穿過模型的邊界，本案例以孔隙完全位于模型內部為例。
將多孔結構模型導出為iges格式文件后導入到ABAQUS內，這里采用EasyCDP插件建立混凝土損傷塑性模型為多孔結構指定C30強度的混凝土材料，用于模擬泡沫混凝土試件。
將試件下側固定，上側指定Z軸方向的位移，模擬混凝土試件軸心受壓的力學場景。
進行網格劃分，選擇四面體單元。
提交作業查看泡沫混凝土模型的破壞情況。
展開 ABAQUS基于CT斷層掃描的三維圓柱體多孔結構建模
首先采用CT掃描獲取多孔圓柱試件的斷層掃描文件。
在Abaqus CAE軟件內，采用AbyssFish CT2Model 3D V1.0插件對CT斷層掃描文件在Abaqus內進行多孔結構的三維重建。
將此模型建立網格部件后，采用Random Element Del插件，將外部單元刪除，形成圓柱體模型。
在網格-編輯-單元-刪除下，區域選擇中選取Set-1，刪除單元集，形成多孔結構模型。
對模型添加材料，并指派截面、裝配、設置分析步、載荷。模型的上表面添加位移條件，下表面設置固定支撐，使模型處于軸心受壓狀態。
創建并提交作業，查看結果。
展開 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 COMSOL二維梯度Voronoi晶粒建模
COMSOL中梯度Voronoi晶粒結構建模，可精準研究非均勻晶粒對力學、熱傳導及失效的多物理場影響，為高性能梯度材料設計提供理論依據，助力航空航天與電子領域應用，推動微觀-宏觀性能關聯研究。本案例介紹在COMSOL內建立大小尺寸梯度分布的晶粒結構模型。
首先通過AutoCAD軟件繪制矩形模型外邊框線，模型外邊框應當在“0”圖層上繪制，并且應采用一條多段線分段繪制，分段的原則為每段尺寸對應相應位置的晶粒尺寸數據。
采用CAD二維圖形Voronoi劃分插件進行梯度晶粒的生成，晶粒直徑參數設置為模型中最大的晶粒尺寸，晶界厚度根據實際情況設置，晶粒類型選取梯度適應，邊界模式開啟自動尺寸。
將建立好的梯度Voronoi模型導入到COMSOL內，需注意晶粒及晶界應分兩次導入，導入后建立聯合體。
分別設置晶粒及晶界的材料屬性，并完成網格劃分，后續可根據研究的需要完成仿真模擬分析。
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展開 ANSYS三維梯度孔隙結構受壓模擬
ANSYS對三維梯度孔隙結構的力學分析具有重要研究意義。其高精度建模揭示孔隙率梯度分布、幾何特征對彈性模量、強度及斷裂韌性的影響機制，量化應力集中與失效風險，為航空航天、生物醫用等領域的結構優化提供理論支撐與方法創新。本案例介紹在ANSYS內對功能梯度孔隙材料（FGM）的受壓模擬。
梯度孔隙3D模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建模，AutoCAD參數化建模完成后將多孔結構梯度模型導出為sat格式文件。
在ANSYS Workbench內選擇與研究相適應的分析系統，并在幾何結構下導入梯度孔隙幾何模型。
對模型劃分網格并在分析設置中添加受壓荷載。
求解并查看計算結果。
展開 
增材制造：拓撲優化與梯度點陣結構提升零部件附加值
基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
Lattice Simulation仿真分析流程
Lattice Simulation提供增材點陣結構在有限元仿真中涉及的相關分析功能：
均質化分析：基于胞元結構類型及在空間上的周期排列特性，進行均質化計算，提取等效實體的材料力學特性。
宏觀分析：采用均質化分析得到的等效材料數據，并對等效實體點陣結構進行力學分析，校核點陣結構剛度性能。
細觀校核：考慮胞元外部邊界條件（采用應變加載），對其進行詳細的應力分析，校核點陣胞元結構強度性能。
Lattice Simulation典型案例
（1）某點陣結構支架仿真分析
（2）某點陣輕量化結構分析
案例演示-梁的優化
我們通過一個簡單案例來展示nTop設計工具的功能優勢。假設有一根載荷均勻分布、兩端固定的鐵梁。
1、拓撲優化
首先，基于變密度方法進行拓撲優化。設置相對密度閾值為ρ = 0.5并輸出形狀。然后使用 nTopology 中的Smooth Body模塊塊進行。此時零件體積為3990 mm^3
接下來，我們通過靜力學分析確認拓撲優化形狀的剛度。我們使用與拓撲優化步驟相同的負載和邊界條件設置參數。承載方向的最大位移為 2.152e-2 mm。
2、基于拓撲優化的功能梯度點陣結構
最后，我們將拓撲優化結果與功能梯度點陣結構的剛度進行比較。
在檢查點陣結構時，我們采用了“殼和填充（shell and infill）”方法。
展開 梯度納米晶材料的本構建模及微結構調控
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。依托馬普鋼鐵所Franz Roters教授團隊開發的多尺度材料模擬平臺DAMASK，實現了本構模型的有限元移植。
梯度納米晶粒結構材料有龐大的晶粒數目，該研究采用均勻化方法簡化有限元模型，可有效地對宏觀尺寸試樣的力學響應進行計算模擬。
展開 CAD多孔結構3D_QSGS 插件 ￥899
插件介紹
CAD多孔結構3D QSGS插件可用于在AutoCAD軟件內生成三維多孔結構模型，可用于數字巖心、多孔介質、多孔結構等方面的建模及模擬。
插件可指定模型的長度、寬度、高度，可構建任意幾何尺寸三維幾何模型。
多孔結構建模基于四參數隨機生長（QSGS）原理。
（1）在二維空間中按照一定分布概率隨機布置孔隙，此分布概率須小于設置的孔隙率；
（2）在二維空間中，按照一定生長概率，令分布的孔隙單元向相鄰點生長。
（3）重復上述步驟，直到生長相達到設定孔隙率時，停止生長，即QSGS 重構多孔介質模型完成。
其構建過程可參考以下流程。
插件在四參數隨機生長的基礎上，進行算法改進，使得孔隙結構分布更為集中，減少離散孔隙的存在，同時可采用CAD軟件將孔隙邊緣處理的更為平滑。
插件生成的幾何模型為通用的CAD格式，支持如COMSOL、ANSYS、Abaqus、Fluent等主流有限元軟件。
說明提醒
插件適用于AutoCAD2010~2024及以上版本。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。
樣圖下載
CAD三維多孔結構QSGS樣圖.rar
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
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