均質(zhì)化的案例
如何利用ANSYS Material Designer，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行均質(zhì)化分析？
在復(fù)合材料有限元分析中，消除尺度問題的標(biāo)準(zhǔn)方法是均質(zhì)化。即通過計(jì)算微觀胞元均質(zhì)化材料參數(shù)，將它應(yīng)用到宏觀尺度的模型中，而不是模擬整個(gè)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，從而大大降低計(jì)算成本。
在材料設(shè)計(jì)中，均質(zhì)化過程從代表性的微觀胞元（RVE，Representative Volume Element）的建模開始。這需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)化的幾何圖形，以及定義組成材料的材料屬性。然后，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其響應(yīng)，最終根據(jù)這些響應(yīng)的結(jié)果計(jì)算均質(zhì)材料數(shù)據(jù)。
Material designer（簡(jiǎn)稱MD）是ANSYS v19.2中引入的一種新的均質(zhì)化工具，用于評(píng)估不同材料和結(jié)構(gòu)(復(fù)合材料、晶格或用戶定義)的有效線彈性和熱材料屬性。
展開 中新寶研磨機(jī)、研磨分散機(jī)、均質(zhì)機(jī)、乳化機(jī)、粉液混合機(jī)、濕法混合機(jī)、膠體磨
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RVE使用均質(zhì)化方法求平均應(yīng)力應(yīng)變
基于Python對(duì)二維rve計(jì)算提取EVOL 得到的總面積明顯大于實(shí)際
面積 可能是因?yàn)樯赌兀?/span>
復(fù)現(xiàn)一篇論文里得均質(zhì)化電池包的擠壓模擬 ￥48.88
車用動(dòng)力電池的擠壓載荷變形響應(yīng)及內(nèi)部短路失效分析_蘭鳳崇.pdf
復(fù)現(xiàn)的文獻(xiàn)是《車用動(dòng)力電池的擠壓載荷變形響應(yīng)及內(nèi)部短路失效分析_蘭鳳崇》。是華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)的一篇EI文獻(xiàn)。
文獻(xiàn)中所提到的模型材料參數(shù)、電池的各向同性本構(gòu)方程都比較詳細(xì)，用getdate扣下曲線數(shù)據(jù)，與我本文里的復(fù)現(xiàn)仿真模型導(dǎo)出的曲線對(duì)比，誤差較小，論文模型復(fù)現(xiàn)成功。
case1-case5除了復(fù)現(xiàn)論文用的不同壓頭，還替換了平面等擠壓方式。
收費(fèi)視頻包含lspp入門詳細(xì)操作過程，對(duì)剛接觸LS-prepost和LS-DYNA的工程師較友好。
收費(fèi)文件為復(fù)現(xiàn)全過程文件及操作視頻，包含初始的邊界條件文件。
注意：以下為論文無法完美復(fù)現(xiàn)仿真的原因，沒有給出鋁殼材料塑性段以及內(nèi)芯與鋁殼的實(shí)際間隙。
展開 
Ansys Workbench | 材料微觀結(jié)構(gòu)：四種 RVE 的均質(zhì)化分析
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結(jié)構(gòu)影響。本文檔使用 Ansys 材料設(shè)計(jì)器展示四種不同類型的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的宏觀尺度材料性能：隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)、體心立方顆粒結(jié)構(gòu)、金剛石晶格結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)。
目標(biāo)
理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀尺度材料性能之間的關(guān)系
步驟
案例1：隨機(jī)單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個(gè)“材料設(shè)計(jì)器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創(chuàng)建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創(chuàng)建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設(shè)計(jì)器中定義微觀結(jié)構(gòu)。選擇隨機(jī)單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設(shè)置纖維體積分?jǐn)?shù)為0.4，纖維直徑為50μm。創(chuàng)建幾何模型（圖1），并使用默認(rèn)設(shè)置生成網(wǎng)格。
4. 創(chuàng)建一個(gè)恒定材料，并求解工程常數(shù)。工程常數(shù)匯總?cè)鐖D2所示。可以觀察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因?yàn)槔w維的楊氏模量高于基體，從而增強(qiáng)了縱向剛度。這種微觀結(jié)構(gòu)的典型例子是木材和一些復(fù)合材料。
圖1. 隨機(jī)單向纖維的 RVE
圖2. 隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)材料的工程常數(shù)
案例2：體心立方結(jié)構(gòu)（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結(jié)構(gòu) RVE（圖3）。顆粒尺寸設(shè)為1nm。生成網(wǎng)格。這種微觀結(jié)構(gòu)是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結(jié)構(gòu)的 RVE
7. 求解工程常數(shù)。工程常數(shù)概覽如圖 4 所示。由于顆粒在三個(gè)方向上的分布相同，因此得到的宏觀尺度材料是各向同性的，例如鋼和金
展開 一鍵聚焦 | 多尺度算法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析軟件Lattice Simulation
基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
圖2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能
圖3 Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程
功能與優(yōu)勢(shì)
Lattice Simulation提供增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能。
（1） 均質(zhì)化分析
基于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性，進(jìn)行均質(zhì)化計(jì)算，提取等效實(shí)體的材料力學(xué)特性。
（2） 宏觀分析
采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù)，并對(duì)等效實(shí)體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，校核點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛度性能。
（3） 細(xì)觀校核
考慮胞元外部邊界條件（采用應(yīng)變加載），對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，校核點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。
圖4 多尺度算法原理圖
圖5 多尺度分析流程圖
Lattice Simulation的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：
（1） 強(qiáng)大的點(diǎn)陣建模功能
① 支持spaceclaim中內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
② 支持外部導(dǎo)入點(diǎn)陣類型。
（2） 高效求解：大大降低建模難度，高效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。
展開 Lattice Simulation 多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除輕量化特點(diǎn)外，同時(shí)還具有優(yōu)良的比剛度/強(qiáng)度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點(diǎn)。
由于其含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，包括胞元類型和幾何尺寸等參數(shù)，導(dǎo)致建模和仿真計(jì)算工作量巨大，傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無法適用。因此，經(jīng)過多年的仿真計(jì)算積累和努力探索，安世中德團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟件，即 Lattice Simulation。
這里將對(duì) Lattice Simulation 和 ANSYS Discovery 進(jìn)行分析對(duì)比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性 。
圖1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
概述
Lattice Simulation 是一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴(kuò)展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
圖2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能
圖3 Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程
模型分析對(duì)比
ANSYS Discovery 作為新一代的仿真分析應(yīng)用工具，其最大特點(diǎn)是能夠即時(shí)得到分析結(jié)果。
然而，其對(duì)硬件性能（如 GPU）要求比較高，一般的電腦配置是不能夠運(yùn)行計(jì)算的。在結(jié)構(gòu)分析中，僅適用于線彈性分析，不能夠進(jìn)行非線性分析（包括材料非線性、接觸非線性和幾何非線性等）、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
展開 多尺度算法在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（下篇）
正如建筑用的空心磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實(shí)現(xiàn)輕量化，而與此同時(shí)，如何保證仍然滿足力學(xué)性能的要求，則成為建模界“才下眉頭、卻上心頭”縈繞不散的要緊事。四種常見的結(jié)構(gòu)包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的材料特點(diǎn)是重量輕、高強(qiáng)度比和高特定剛性。并且?guī)砀鞣N熱力學(xué)特征，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
那么如何解決增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的CAE分析問題？谷.專欄在前不久特別推薦了《多尺度算法在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（上篇）》 。本期，谷.專欄將推薦《多尺度算法在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（下篇）》。
多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性
上篇介紹了增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析軟件 Lattice Simulation 的多尺度算法，以及 Lattice Simulation是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的CAE分析問題的。下篇將對(duì) Lattice Simulation 和 ANSYS Discovery 進(jìn)行分析對(duì)比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性。
圖 1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
上篇中提到，Lattice Simulation 是一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴(kuò)展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
展開 Lattice Simulation 多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除輕量化特點(diǎn)外，同時(shí)還具有優(yōu)良的比剛度/強(qiáng)度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點(diǎn)。
由于其含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，包括胞元類型和幾何尺寸等參數(shù)，導(dǎo)致建模和仿真計(jì)算工作量巨大，傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無法適用。因此，經(jīng)過多年的仿真計(jì)算積累和努力探索，安世中德團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟件，即 Lattice Simulation。
請(qǐng)參考《多尺度算法增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析軟件Lattice Simulation應(yīng)用概述》，了解 Lattice Simulation 的多尺度算法及其應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容，這里不再贅述。這里將對(duì) Lattice Simulation 和ANSYS Discovery 進(jìn)行分析對(duì)比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析中的準(zhǔn)確性 。
圖1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
一、概述
Lattice Simulation 是一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴(kuò)展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
圖2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能
圖3 Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程
二、模型分析對(duì)比
ANSYS Discovery 作為新一代的仿真分析應(yīng)用工具，其最大特點(diǎn)是能夠即時(shí)得到分析結(jié)果。
然而，其對(duì)硬件性能（如 GPU）要求比較高，一般的電腦配置是不能夠運(yùn)行計(jì)算的。
展開 多尺度算法在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用（上篇）
基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
圖2 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能
圖3 Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程
Lattice Simulation功能與優(yōu)勢(shì)
Lattice Simulation提供增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能
均質(zhì)化分析
基于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性，進(jìn)行均質(zhì)化計(jì)算，提取等效實(shí)體的材料力學(xué)特性。
宏觀分析
采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù)，并對(duì)等效實(shí)體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，校核點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛度性能。
細(xì)觀校核
考慮胞元外部邊界條件（采用應(yīng)變加載），對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，校核點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。
圖4 多尺度算法原理圖
圖5 多尺度分析流程圖
Lattice Simulation的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：
強(qiáng)大的點(diǎn)陣建模功能
- 支持spaceclaim中內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
- 支持外部導(dǎo)入點(diǎn)陣類型。
高效求解：大大降低建模難度，高效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。
展開 增材制造：拓?fù)鋬?yōu)化與梯度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提升零部件附加值
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具
隨著增材制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航天航空、船舶、汽車、體育和醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除輕量化特點(diǎn)外，同時(shí)還具有優(yōu)良的比剛度/強(qiáng)度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點(diǎn)。
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用
由于點(diǎn)陣含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，包括胞元類型和幾何尺寸等參數(shù)，導(dǎo)致仿真計(jì)算工作量巨大，傳統(tǒng)有限元分析已經(jīng)無法適用。因此，經(jīng)過多年的仿真計(jì)算積累和努力探索，安世亞太自主開發(fā)了一款專業(yè)用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
Lattice Simulation是一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴(kuò)展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。
Lattice Simulation仿真分析流程
Lattice Simulation提供增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能：
均質(zhì)化分析：基于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性，進(jìn)行均質(zhì)化計(jì)算，提取等效實(shí)體的材料力學(xué)特性。
宏觀分析：采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù)，并對(duì)等效實(shí)體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，校核點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛度性能。
細(xì)觀校核：考慮胞元外部邊界條件（采用應(yīng)變加載），對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，校核點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。
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金屬所：研發(fā)出一項(xiàng)變革性創(chuàng)新技術(shù)！
與重大工程對(duì)大鍛件高品質(zhì)要求相悖的是，鍛件尺寸越大，內(nèi)部的組織和缺陷問題越嚴(yán)重，均質(zhì)化程度越低。造成這一問題的根本原因在于，傳統(tǒng)上大鍛件采取“以大制大”的手段制造，即先做大鑄錠再制造大鍛件。由于金屬凝固存在尺寸效應(yīng)，規(guī)格越大的鑄錠偏析、疏松等缺陷越嚴(yán)重，導(dǎo)致鍛件的均質(zhì)性越差，嚴(yán)重影響材料使役性能，已成為世界性難題。因此，迫切需要開發(fā)變革性技術(shù)，解決大鍛件宏觀偏析等缺陷，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化制備。
受建筑領(lǐng)域啟發(fā)，中科院金屬所在國際上率先提出一種全新的材料加工技術(shù)：金屬構(gòu)筑成形技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是將多塊均質(zhì)化基材經(jīng)表面處理、堆垛組坯、真空封裝后，在高溫下實(shí)施大變形，充分愈合并消除界面，實(shí)現(xiàn)“無痕連接”。其核心思想是“基元構(gòu)筑，以小制大”，這是在國際上尚未見報(bào)道的大構(gòu)件制造領(lǐng)域原始創(chuàng)新。通過5年來的基礎(chǔ)與工程化研究，目前金屬構(gòu)筑成形技術(shù)已在水電工程轉(zhuǎn)輪主軸、特高壓輸電塔環(huán)等產(chǎn)品上應(yīng)用，并正在承擔(dān)一些國家重大科技項(xiàng)目，有望解決艦船、快堆、燃機(jī)、航天等戰(zhàn)略性裝備核心部件制造的卡脖子難題。
3月12日，利用金屬構(gòu)筑成形技術(shù)世界上最大的無焊縫整體不銹鋼環(huán)形鍛件順利軋制成功。該技術(shù)被多位院士專家評(píng)價(jià)為大構(gòu)件制造領(lǐng)域的一項(xiàng)變革性創(chuàng)新，已在水電、風(fēng)電、核電等領(lǐng)域應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)我國高端裝備的快速發(fā)展，保障重大裝備核心材料的自主可控發(fā)揮了重要作用。
該環(huán)件直徑達(dá)15.6米，重達(dá)150噸，首次實(shí)現(xiàn)了百噸級(jí)金屬坯分級(jí)構(gòu)筑成形，這也是目前世界上直徑最大、重量最大的整鍛式不銹鋼環(huán)形件。其特點(diǎn)是整體無焊縫，均質(zhì)化程度高，組織均勻性好。該巨型環(huán)件將應(yīng)用于我國第四代核電機(jī)組，其成功研制將有力地保障我國核工業(yè)領(lǐng)域重大裝備的實(shí)施。而以往此類巨型鍛件采用多段小坯組焊制造，加工周期長成本高，焊縫位置組織性能差。
展開 大鍛件研究者獲陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)
其中，中國科學(xué)院金屬研究所孫明月（大鍛件均質(zhì)化構(gòu)筑成形技術(shù)）獲2020年度陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)（技術(shù)科學(xué)獎(jiǎng)）。
技術(shù)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人
個(gè)人簡(jiǎn)介
孫明月
中國科學(xué)院金屬研究所研究員、博士研究生導(dǎo)師, 從事大鍛件與特殊鋼先進(jìn)制備技術(shù)研究。發(fā)明金屬構(gòu)筑成形技術(shù), 獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、遼寧省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國金屬學(xué)會(huì)冶金青年科技獎(jiǎng)、中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)。
相關(guān)成果簡(jiǎn)介
大鍛件均質(zhì)化構(gòu)筑成形技術(shù)
大鍛件是重大裝備的核心部件, 在國家安全、國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著不可或缺的作用. 大鍛件常采用百噸級(jí)鑄錠制備, 由于金屬凝固過程的尺寸效應(yīng), 大鑄錠凝固速度極其緩慢, 宏觀偏析、縮孔疏松等冶金缺陷嚴(yán)重, 影響大鍛件質(zhì)量, 這已成為世界性難題.
在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(變革性技術(shù))項(xiàng)目、國家科技重大專項(xiàng)(核電)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目的支持下, 孫明月及其團(tuán)隊(duì)近年來突破了大鍛件“以大制大”的思路局限, 在國際上率先提出金屬構(gòu)筑成形思想.
展開 Hill模型在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用
數(shù)值試驗(yàn)
及參數(shù)標(biāo)定
數(shù)值分析過程包括三個(gè)階段：均質(zhì)化分析、非線性分析和R參數(shù)標(biāo)定。表2中列出了材料及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。
表2 材料及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)表
- 均質(zhì)化分析
采用Lattice Simulation進(jìn)行均質(zhì)化分析，得到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的線彈性材料屬性，如表3所列。
表3 均質(zhì)化材料參數(shù)
- 非線性分析
根據(jù)上述Hill模型理論，材料的塑性流動(dòng)特性需要通過建立6個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行確定。在ANSYS中，設(shè)置nominal strain 為0.01，載荷步為20，打開large Deflection選項(xiàng)。計(jì)算完成后，提取X方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線并定義為參考曲線，如下圖3所示。Hill模型R參數(shù)如表4所列。
圖3 參考應(yīng)變-應(yīng)變曲線，來源安世亞太
- R參數(shù)標(biāo)定
表4 Hill模型R參數(shù)計(jì)算結(jié)果
在ANSYS中，可以采用MP命令定義均質(zhì)化材料的彈性常數(shù)，TB,BISO/PLAS定義參考曲線，以及TB,HILL定義HILL模型。為了確定上述計(jì)算過程的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
Hill模型
驗(yàn)證
根據(jù)Hill模型的計(jì)算結(jié)果，提取6條應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與原先的曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。可以看出，單軸拉伸方向曲線吻合很好，而在剪切方向上剪切應(yīng)變超過0.0025后曲線誤差較大。根據(jù)Hill模型理論，其并不很適合描述相對(duì)于參考曲線屈服應(yīng)力較小而切線模量較大的應(yīng)用案例，反之亦然。
展開 為什么材料越薄越硬、孔越小應(yīng)力越不集中？經(jīng)典力學(xué)算不準(zhǔn)的真相
二、均質(zhì)化誤差的本質(zhì)：平均值≠中心值
關(guān)鍵洞察：當(dāng)物理場(chǎng)在RVE內(nèi)非線性分布時(shí)，體積平均值不等于幾何中心處的真實(shí)值。
直觀理解
想象你測(cè)量一個(gè)房間的溫度：
經(jīng)典做法：假設(shè)溫度在房間內(nèi)均勻分布，用房間中心的溫度代表整個(gè)房間真實(shí)情況：如果暖氣片在一側(cè)，溫度呈梯度分布，平均溫度≠中心溫度
數(shù)學(xué)上，這可以通過泰勒展開描述。對(duì)于任意物理量 p （可以是應(yīng)變、應(yīng)力或應(yīng)變能密度）：
其中 h 是RVE的尺寸（比如金屬的晶粒尺寸、聚合物的高分子鏈回轉(zhuǎn)半徑），Δp 是拉普拉斯算子（描述場(chǎng)的"彎曲程度"）。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：經(jīng)典理論只保留了第一項(xiàng)，忽略了 和 項(xiàng)——這就是"均質(zhì)化誤差"的來源。
三、高階應(yīng)變能：一個(gè)參數(shù)解釋兩種矛盾現(xiàn)象
解決方法：重新定義均質(zhì)化應(yīng)變能密度：
其中 是經(jīng)典應(yīng)變能， 是高階修正項(xiàng)，包含應(yīng)變與其梯度的交叉乘積項(xiàng)，如 。
為什么能解釋"變硬"和"變軟"？
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