顆粒流體多尺度模擬的案例
第七屆全國顆粒材料計算力學會議召開，DEMms多尺度離散模擬軟件受關注
<p>近日，第七屆全國顆粒材料計算力學會議暨第四屆計算顆粒技術國際研討會在南京召開。會議聚焦顆粒材料的力學理論及模型、計算分析與軟件開發、工程應用和相關前沿方向中的關鍵科學問題和難點技術問題，開展廣泛的學術交流和討論。</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略合作伙伴中國科學院過程工程研究所介科學研究部開發的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域的卓越性能和應用前景。</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模模擬的專業軟件，能夠充分利用CPU、GPU等多種計算資源，實現大規模異構并行計算。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，具備長時間或準實時模擬流動、傳遞和反應耦合的工業過程的能力，為虛擬工廠和高水平數字孿生的建立提供有力手段。
展開 多尺度流體表征：旋轉流變儀讀懂物質從“固態”到“液態”的變形語言
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
動態測試
動態測試（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變作用下的流變特性。
基本定義:剪切應力、剪切應變、剪切模量
圖3 振蕩測試的平行板模型
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圖4 施加的應力或應變數學波形
大多數樣品表現為粘彈性，流變儀首先給樣品施加一個正弦波規律的應變（或應力），樣品會反饋一個正弦波規律的應力（或應變），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-凝膠轉變點。
振幅掃描：當對樣品施加的應變或應力在一定范圍內時，樣品的結構產生的是彈性形變，產生的形變能夠完全回復，結構沒有受到破壞，其應變、應力規律符合正弦波規律，此時樣品的響應為線性粘彈性響應，相對的應變或應力區間為線性粘彈區（LVE）。
圖5 線性粘彈區測試
頻率掃描：頻率掃描得到的是樣品性質與時間尺度的關系，對于非交聯的聚合物材料，通常會有高頻時G' >G''，即在很短的受力作用時間內，樣品不會產生流動，表現為膠體（固體）的狀態；低頻時 G'<G''，即在較長的受力作用時間內，樣品會產生流動，表現為流體的狀態。
圖6 PDMS頻率掃描曲線圖
此外，旋轉流變儀還包含溫度掃描、時間掃描等多種測量模式。
展開 多尺度晶體塑性模擬文章推薦
為解決這一問題，作者提出了一種并發多尺度建模方法：宏觀結構層面采用顯式有限元模擬方管壓潰；每個積分點內部嵌入一個由多個 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；最后通過 Taylor 型均勻化獲得積分點平均應力。這樣，宏觀有限元計算不再只依賴經驗塑性曲線，而是能夠實時考慮晶粒取向和織構演化對結構響應的影響。
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；隨后將這些織構賦予方管模型，并進行軸向壓潰模擬。
結果表明，雖然不同織構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域，晶粒取向會持續演化，形成不同的局部織構模式。文章還指出，拉伸織構和壓縮織構在不同壓潰模式下表現出不同的吸能優勢，這說明“材料制造歷史”并不是可以忽略的背景信息，而是可能影響結構服役性能的重要因素。
這篇文章對我們的啟發在于：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框架，用于研究真實工程結構中的局部變形、吸能和織構演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統本構更豐富的物理信息。
我們可以將我之前推文提到的umat-taylor模型轉化為vumat子程序，進一步使用晶體塑性模型模擬大變形結構尺度材料變形行為。案例展示如下：
初始模型參考文章的設置（上下兩層鋼板，中間為薄殼結構）：
使用通用接觸，摩擦系數設置為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
微觀宏觀多尺度模擬
穿孔
裂紋產生
裂紋擴展
VirtualLab Fusion創始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學模擬與設計
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展開 雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
納米壓痕是研究材料在微納米尺度下力學響應的有效手段，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等重要力學參量。晶界在金屬材料的塑性變形機理及其力學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構的演化信息，而多尺度位錯動力學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構密切相關的力學實驗。目前多尺度位錯動力學壓痕模擬主要集中在二維模型上，三維單晶模型較少，而三維雙晶模型還未見報道。
近日，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學Michael Zaiser教授（西南交通大學“海外名師項目”專家）合作開展研究，論文第一作者碩士研究生陸宋江通過在三維單晶多尺度框架的基礎上引入可穿透晶界模型開展雙晶納米壓痕模擬，研究位錯與晶界的交互作用機理及晶界對壓痕響應的影響，建立了基于位錯塞積理論的壓痕尺寸依賴性模型，并從位錯結構演化信息分析了相關雙晶壓痕響應的內在機理。相關研究成果已在線發表在材料力學領域頂級期刊《Journal of the Mechanicsand Physics of Solids》（力學小區1區，IF=3.566）。
論文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618308950
傳統離散位錯動力學很難處理壓痕等復雜的邊界條件問題，而通過離散位錯動力學（DDD）與有限元耦合的多尺度方法是解決這一難題的有效途徑。因此，該研究采用多尺度位錯動力學框架來模擬壓痕問題。
展開 COMSOL顆粒夾雜多孔介質多相材料達西滲流模擬
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&過渡區插件建立后導入到COMSOL軟件內。
模型包括滲流發生的外側基體、內部顆粒、顆粒及基體過渡區（ITZ）三部分組成，由于內部顆粒的滲透系數遠小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動。設置過渡區的目的是在實際情況中，土體及內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。
模型設置左右兩側的水頭差，最終壓力及流速模擬結果如下。
精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
而當材料中存在平行的多條碳化物帶時，裂紋的擴展路徑可能會多次發生改變，形成圖7f所示的一條曲折的裂紋，對應于實際精沖中的粗糙沖裁斷面。
結束語
通過對精沖用碳鋼不同微觀組織的拉伸、剪切、精沖性能進行宏微觀模擬，模擬結果顯示：球化退火后，當基體中存在較小體積分數的小直徑碳化物顆粒時，材料的拉伸、剪切強度提高，裂紋萌生時間延遲；而碳化物帶的存在使得帶中產生應力集中，加快損傷演化而導致材料過早斷裂，并且碳化物帶中滲碳體顆粒越多或越密集，這種應力集中越嚴重；精沖時裂紋沿著碳化物帶擴展，降低斷面質量。模擬預測的單元失效情況與掃描電鏡觀察的精沖試樣裂紋擴展結果一致。
作者簡介 莊新村，博士，副研究員，碩士研究生導師，現任上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院副院長，主要研究方向為精沖成形工藝及模具設計優化、板料鍛造新工藝和材料韌性損傷演化建模。
《精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究》摘自《鍛造與沖壓》雜志第20期
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