多相材料建模的案例
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 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 COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達西滲流模擬
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達西定律模塊對滲流進行模擬。
模型采用CAD隨機球體顆粒&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。
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。
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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 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中進行計算和材料性能評估。
展開 Digimat：復(fù)合材料多尺度建模的創(chuàng)新力量
在當(dāng)今追求高性能與可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)合材料正成為越來越多行業(yè)的首選材料。其卓越的比強度、比模量、耐腐蝕性和高度可設(shè)計性，使其在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等行業(yè)中逐漸取代傳統(tǒng)金屬材料。然而，傳統(tǒng)的復(fù)合材料分析方法難以準(zhǔn)確捕捉材料微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響，導(dǎo)致設(shè)計中不得不引入較大安全系數(shù)，既增加成本又限制材料性能發(fā)揮。但現(xiàn)在，一款名為 Digimat 的軟件徹底改變了這一局面。
Digimat 是由 e-Xstream engineering（現(xiàn)歸屬 Hexagon Manufacturing Intelligence）開發(fā)的專業(yè)復(fù)合材料多尺度建模與仿真平臺。它采用獨特的多尺度方法學(xué)框架，實現(xiàn)了從微觀纖維 / 基體界面到宏觀結(jié)構(gòu)性能的跨尺度預(yù)測。其強大功能體現(xiàn)在多個方面。
Digimat 軟件操作界面截圖
在微觀尺度表征上，Digimat-MF 模塊通過代表性體積單元（RVE）方法，能夠精確預(yù)測復(fù)合材料的局部應(yīng)力 / 應(yīng)變場。以碳纖維 / 環(huán)氧樹脂體系為例，該模塊展現(xiàn)出極高的建模精度。在工藝仿真方面，Digimat-MAP 模塊可模擬注塑、RTM 等成型工藝對最終性能的影響。如在玻纖增強 PP 的注塑案例中，其預(yù)測纖維取向分布與 CT 掃描結(jié)果相關(guān)性達 0.91，翹曲變形預(yù)測精度比傳統(tǒng)方法提高 40%，計算時間比同類軟件縮短 30%（相同硬件配置）。
Digimat 在行業(yè)應(yīng)用中成果顯著。在航空航天領(lǐng)域，某型無人機機翼設(shè)計借助 Digimat，成功減重 15% 的同時保持等效剛度，開發(fā)周期縮短 6 個月，物理試驗次數(shù)減少 60%。在汽車輕量化方面，某電動車電池包殼體項目使用 Digimat 后，最大應(yīng)力降低 14.3%，生產(chǎn)成本降低 20% 。
展開 Digimat多尺度建模技術(shù)體系研究：復(fù)合材料仿真前沿進展
軟件概述與技術(shù)架構(gòu)
Digimat是由e-Xstream engineering（現(xiàn)歸屬Hexagon Manufacturing Intelligence）開發(fā)的專業(yè)復(fù)合材料多尺度建模與仿真平臺。作為當(dāng)前復(fù)合材料仿真領(lǐng)域的標(biāo)桿軟件，Digimat采用獨特的多尺度方法學(xué)框架，實現(xiàn)了從微觀纖維/基體界面到宏觀結(jié)構(gòu)性能的跨尺度預(yù)測。
核心技術(shù)特點：
l 材料-工藝-性能一體化建模：集成材料數(shù)據(jù)庫包含500+種常見增強纖維和樹脂基體；
l 多物理場耦合能力：支持力學(xué)-熱學(xué)-電學(xué)耦合分析；
l 工業(yè)接口豐富：與Abaqus、ANSYS、LS-DYNA等主流CAE軟件無縫對接。
2. 核心功能評測
2.1 微觀尺度表征能力
Digimat-MF模塊通過代表性體積單元(RVE)方法，精確預(yù)測復(fù)合材料的局部應(yīng)力/應(yīng)變場。
展開 Abaqus復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)快速建模插件（附多個版本執(zhí)行程序） ￥200
</p><p><br></p><p><br></p><p>更多有關(guān)ABAQUS 二次開發(fā)，或者ABAQUS復(fù)合材料分析方面的問題歡迎加我的QQ3539358512交流。</p><p><br></p><p>很抱歉，插件附件就是付費內(nèi)容了，還望理解。</p><p>目前已上傳6.10,6.13,6.14,2017四個版本</p>
展開 ABAQUS CT2Model3D Multi-Material插件介紹 ￥2998
插件介紹
AbyssFish CT2Model3D Multi-Material插件支持將CT斷層掃描或物理切片掃描圖像導(dǎo)入ABAQUS，實現(xiàn)多相材料體系的三維建模。
插件支持PNG、JPG、JPEG、TIFF等格式的圖像。通過插件界面配置模型參數(shù)，并選擇切片圖像文件夾內(nèi)的任意一張圖像后點擊OK，插件將自動基于圖像文件名稱序列完成三維重建。
模型說明
插件通過整合CT斷層掃描圖像或物理切片掃描圖像，利用背景網(wǎng)格與圖像映射方法實現(xiàn)體素模型建模。該方法以掃描圖像的像素級RGB絕對顏色差異為材料識別依據(jù)，對ABAQUS六面體單元（C3D8R）賦予對應(yīng)的多相材料屬性。CT2Model3D Multi-Material插件有效解決了復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何重構(gòu)難題，顯著提升了三維數(shù)字孿生模型的構(gòu)建效率與材料表征精度。
插件生成的模型單元總數(shù)與掃描圖像的總像素數(shù)量保持一致。若掃描分辨率較高，建議在導(dǎo)入前對圖像進行降采樣處理，以避免ABAQUS網(wǎng)格劃分時因單元規(guī)模超出計算機硬件資源限制而導(dǎo)致計算效率下降或運行異常。
插件通過像素的RGB數(shù)值精確劃分材料屬性，因此在三維重建前需確保圖像中不同材料的像素色彩種類與目標(biāo)材料數(shù)量一致。例如，視覺上相近的藍色像素點（如RGB(100,200,239)與RGB(100,200,240)）若RGB數(shù)值存在差異，系統(tǒng)均會將其識別為獨立材料類型，從而影響模型的多相材料分布準(zhǔn)確性。
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