顆粒流體多尺度模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：番薯仔003 創(chuàng)建時間：2016-12-26
顆粒流體多尺度模擬的視頻教程
基于ABAQUS的CEL方法冷噴涂多顆粒沖擊數(shù)值模擬
這一期視頻主要介紹了基于ABAQUS的耦合歐拉拉格朗日方法（CEL）的冷噴涂多顆粒沖擊數(shù)值模擬。根據(jù)粉末材料的粒徑分布確定多顆粒模型中不同直徑顆粒的數(shù)量，不同直徑顆粒的沖擊速度和初始溫度根據(jù)之前的氣體動力學(xué)仿真課程計算確定。在abaqus中將顆粒設(shè)置為歐拉體，基體為傳統(tǒng)的拉格朗日元素。
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顆粒流體多尺度模擬的實例教程
<p>近日，第七屆全國顆粒材料計算力學(xué)會議暨第四屆計算顆粒技術(shù)國際研討會在南京召開。會議聚焦顆粒材料的力學(xué)理論及模型、計算分析與軟件開發(fā)、工程應(yīng)用和相關(guān)前沿方向中的關(guān)鍵科學(xué)問題和難點技術(shù)問題，開展廣泛的學(xué)術(shù)交流和討論。</p><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/c44c96869bf9191c7e87746b3a141cec556101746.png@.webp" alt="read-normal-img"></p><p>會議期間，積鼎科技展示了其戰(zhàn)略合作伙伴中國科學(xué)院過程工程研究所介科學(xué)研究部開發(fā)的DEMms（Multi-scale Discrete Element Method for Multi-phase Systems）多尺度離散模擬軟件，向與會者介紹了該軟件在科研與工程領(lǐng)域的卓越性能和應(yīng)用前景。</p><p><br></p><p><strong>DEMms多尺度離散模擬軟件</strong></p><p>DEMms軟件是一款面向顆粒、散料和多相體系大規(guī)模模擬的專業(yè)軟件，能夠充分利用CPU、GPU等多種計算資源，實現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)并行計算。該軟件耦合了獨特的顆粒粗粒化模型與流固耦合方法，能高效對接多種開源流動求解器，具備長時間或準(zhǔn)實時模擬流動、傳遞和反應(yīng)耦合的工業(yè)過程的能力，為虛擬工廠和高水平數(shù)字孿生的建立提供有力手段。
展開 圖2 牛頓流體(1)、假塑性流體(2)、脹塑性流體(3)的流動曲線和粘度曲線
02
動態(tài)測試
動態(tài)測試（振蕩模式）：測量材料的彈性（G'）和黏性（G''），適用于凝膠、高分子材料。用來研究材料在交變外力或應(yīng)變作用下的流變特性。
基本定義:剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變、剪切模量
圖3 振蕩測試的平行板模型
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圖4 施加的應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)學(xué)波形
大多數(shù)樣品表現(xiàn)為粘彈性，流變儀首先給樣品施加一個正弦波規(guī)律的應(yīng)變（或應(yīng)力），樣品會反饋一個正弦波規(guī)律的應(yīng)力（或應(yīng)變），兩個正弦波之間會有一個相位差δ。對于理想流體 δ 為 90°，對于理想固體 δ 為 0°，具有粘彈性的實際樣品，δ在0°到90°之間。
tanδ<1，即G''<G'：彈性占主要部分，為凝膠體 ； tanδ＞1，即G''>G'：粘性占主要部分，為流體； tanδ=1，即G''=G'：粘性和彈性相等，為溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點。
振幅掃描：當(dāng)對樣品施加的應(yīng)變或應(yīng)力在一定范圍內(nèi)時，樣品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的是彈性形變，產(chǎn)生的形變能夠完全回復(fù)，結(jié)構(gòu)沒有受到破壞，其應(yīng)變、應(yīng)力規(guī)律符合正弦波規(guī)律，此時樣品的響應(yīng)為線性粘彈性響應(yīng)，相對的應(yīng)變或應(yīng)力區(qū)間為線性粘彈區(qū)（LVE）。
圖5 線性粘彈區(qū)測試
頻率掃描：頻率掃描得到的是樣品性質(zhì)與時間尺度的關(guān)系，對于非交聯(lián)的聚合物材料，通常會有高頻時G' >G''，即在很短的受力作用時間內(nèi)，樣品不會產(chǎn)生流動，表現(xiàn)為膠體（固體）的狀態(tài)；低頻時 G'<G''，即在較長的受力作用時間內(nèi)，樣品會產(chǎn)生流動，表現(xiàn)為流體的狀態(tài)。
圖6 PDMS頻率掃描曲線圖
此外，旋轉(zhuǎn)流變儀還包含溫度掃描、時間掃描等多種測量模式。
展開 為解決這一問題，作者提出了一種并發(fā)多尺度建模方法：宏觀結(jié)構(gòu)層面采用顯式有限元模擬方管壓潰；每個積分點內(nèi)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(zhuǎn)；最后通過 Taylor 型均勻化獲得積分點平均應(yīng)力。這樣，宏觀有限元計算不再只依賴經(jīng)驗塑性曲線，而是能夠?qū)崟r考慮晶粒取向和織構(gòu)演化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(gòu)；隨后將這些織構(gòu)賦予方管模型，并進行軸向壓潰模擬。
結(jié)果表明，雖然不同織構(gòu)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(qū)域，晶粒取向會持續(xù)演化，形成不同的局部織構(gòu)模式。文章還指出，拉伸織構(gòu)和壓縮織構(gòu)在不同壓潰模式下表現(xiàn)出不同的吸能優(yōu)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(jié)構(gòu)服役性能的重要因素。
這篇文章對我們的啟發(fā)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(xué)框架，用于研究真實工程結(jié)構(gòu)中的局部變形、吸能和織構(gòu)演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構(gòu)件等問題，如果材料存在明顯織構(gòu)或晶粒尺度效應(yīng)，將晶體塑性與結(jié)構(gòu)有限元耦合，能夠提供比傳統(tǒng)本構(gòu)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(zhuǎn)化為vumat子程序，進一步使用晶體塑性模型模擬大變形結(jié)構(gòu)尺度材料變形行為。案例展示如下：
初始模型參考文章的設(shè)置（上下兩層鋼板，中間為薄殼結(jié)構(gòu)）：
使用通用接觸，摩擦系數(shù)設(shè)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 微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產(chǎn)生
裂紋擴展
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顆粒流體多尺度模擬的最新內(nèi)容
文章名稱《Concurrent multi-scale crush simulations with a crystal plasticity model》
DOI：10.1016/j.tws.2011.12.019
在汽車防撞梁、吸能盒和薄壁管結(jié)構(gòu)中，壓潰吸能能力直接影響結(jié)構(gòu)安全性。傳統(tǒng)有限元分析通常采用各向同性塑性模型，通過宏觀應(yīng)力–應(yīng)變曲線描述材料響應(yīng)。但實際金屬材料并不是“均勻黑箱
旋轉(zhuǎn)流變儀是研究材料流變行為（如黏度、彈性、屈服應(yīng)力等）的核心儀器，廣泛應(yīng)用于高分子、食品、化妝品、醫(yī)藥、油墨、涂料等領(lǐng)域。它通過旋轉(zhuǎn)夾具對樣品施加可控應(yīng)力或應(yīng)變，測量材料的力學(xué)響應(yīng)，從而分析其流動和變形特性。
01、流變儀能測什么？
流變儀主要測量材料的以下特性：
黏性（像蜂蜜一樣抵抗流動的能力）
彈性（像橡皮筋一樣恢復(fù)形狀的能力）
黏彈性（介于液體和固體之間的行為
<p class="ql-align-justify">VirtualLab Fusion創(chuàng)始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學(xué)模擬與設(shè)計的藝術(shù)2025年4月24日</p><p class="ql-align-justify">多尺度光學(xué)仿真的核心原理，上海嘉定共赴光學(xué)仿真互動探討之旅</p><div contenteditable="false" width=
<p>近日，第七屆全國顆粒材料計算力學(xué)會議暨第四屆計算顆粒技術(shù)國際研討會在南京召開。會議聚焦顆粒材料的力學(xué)理論及模型、計算分析與軟件開發(fā)、工程應(yīng)用和相關(guān)前沿方向中的關(guān)鍵科學(xué)問題和難點技術(shù)問題，開展廣泛的學(xué)術(shù)交流和討論。</p><p><img src="https://article.biliimg.com/bfs/new_dyn/c44c96869bf9191c7e87746b3a141cec556101746
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(yuǎn)小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動
納米壓痕是研究材料在微納米尺度下力學(xué)響應(yīng)的有效手段，通過納米壓痕可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服強度和硬化指數(shù)等重要力學(xué)參量。晶界在金屬材料的塑性變形機理及其力學(xué)性能中扮演著重要角色，尤其是對于小尺度材料。雙晶納米壓痕是研究晶界對材料力學(xué)行為影響的重要手段之一。目前實驗手段難以獲取材料在壓痕過程中位錯結(jié)構(gòu)的演化信息，而多尺度位錯動力學(xué)模擬可以有效地獲取和分析材料在塑性變形過程中位錯的演化特征，適用于研究納米壓痕這種與位錯等微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的力學(xué)實驗
微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產(chǎn)生
裂紋擴展
為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應(yīng)性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分?jǐn)?shù)以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學(xué)性能和精沖性能的影響。
精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區(qū)處于較高的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，材料延遲斷裂的時間顯著延長
