多尺度模擬的案例
VirtualLab Fusion創始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學模擬與設計
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202502/attachment/8f1e52d93e2a432ab83d5e5a9146072a.jpg" alt="VirtualLab Fusion創始人 Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學模擬與設計的圖3" referrerpolicy="no-referrer" style="max-width: 100%; display: block; margin: 5px auto; cursor: zoom-in;">
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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
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
展開 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><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 
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 一種新穎的多尺度晶體塑性實現方案-------Direct FE2
具體實現過程可以參考作者的原始文章和下圖的流程框圖
使用作者的文章思路，分別測試了二維和三維的FE2多尺度晶體塑性模型。通過耦合積分點和多晶RVE模型實現尺度的模擬效果，宏觀模型的積分點提供變形梯度用于微觀RVE模型的邊界條件，微觀模型通過邊界條件計算應力，狀態變量，并返回一致性雅可比矩陣，模擬效果如下：
Direct FE2 對應的二維模型和三維模型如下圖所示
施加X方向的單軸拉伸，二維和三維的變形結果如下圖所示：
二維模擬效果：
三維模擬效果：
基于 ABAQUS 的多尺度有限元模型橋梁檢測與評估
為了平衡二者的對立關系，以 ABAQUS 軟件 為依托，將橋梁檢測中重點區域進行精細化建模，并準確、合理地連接到整體模型中，以此建立 可以細致分析重點區域受力情況的多尺度有限元模型，利用 3 種不同精度的網格劃分方法，通 過矩形截面簡支梁計算驗證了多尺度有限元模型結合面連接形式的正確性， 并以福建某實際 橋梁工程為例，對比計算結果及檢測數據，進一步驗證多尺度有限元模型的準確性。結果表明：多尺度有限元模型能夠更準確地計算應力、應變及變形趨勢，計算結果和實測數值更貼近，并 且在模態分析中頻率的計算結果也貼近于實際情況，同時計算時間大大縮短，可為類似工程提 供技術借鑒。
關鍵詞 多尺度模型 橋梁檢測 多點約束法 模型連接
有限元計算分析是橋梁檢測中的重要環節，MIDAS、 橋梁博士等專業軟件均采用梁單元進行力學分析。梁單元模型無法準確計算實體的真實 應力、應變和變形情況，不能細致分析局部載荷細節，使計算結果和真實情況存在偏差。隨著科技的進步和軟件功能及性能的提升，ABAQUS 作為一款通用型有限元分析軟件，可以定義任意材料的屬性及模擬任意形狀的結構，不僅可對橋梁結構進行簡單的線彈性分析，還可進行復雜的幾何非線性和材料非線性模擬，并且可以對橋梁結構進行精細計算，在模型關注的重點區域完成局部受力分析[1-4]。
但是，ABAQUS 軟件計算結果的準確性，很大程度上是由有限元模型的類型來決定的：宏觀有限元模型網格大、計算時間短，但計算結果不準確；精細化有限元模型網格小，計算時間長，但計算結果準確[5-6]。因此，平衡計算成本及計算精準的對立關系， 是橋梁檢測力學分析的研究重點。
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 JMPS：多主元合金塑性和應變硬化的分層多尺度晶體塑性框架
多主元合金(MPEAs)表現出了優異的力學性能，包括良好的抗疲勞性、高屈服強度、耐腐蝕、高延性和熱穩定性，特別是高強度和良好的延性的前所未有的結合。因此，MPEAs有望在關鍵結構和功能上得到廣泛應用，例如抗損傷材料和工具材料。作者通過調研發現，與傳統合金不同，實驗和模擬表明MPEAs中不同的原子類型會導致較大的原子晶格畸變來控制力學性能。
在細觀尺度上，晶體塑性有限元(CPFE)方法可以考慮相變、位錯滑移和變形孿生等多種細觀變形機制，在描述基于微觀結構演化的材料塑性行為方面具有明顯的優勢。而晶體塑性本構模型的參數通常是通過擬合宏觀實驗結果得到的，但是其缺乏亞微米變形機理，所以擬合參數可能不是唯一的，從而降低了CPFE模擬的預測精度。由于MPEAs的微觀結構是多尺度的，如原子空位和晶格畸變、微尺度位錯和中尺度晶粒等，所以需要考慮微尺度的變形機理來獲得精確的晶體塑性本構模型參數，然后開發一種從納米-微-中尺度微觀結構集成的新的模擬方法。湖南大學的Qihong Fang等人將原子模擬、離散位錯動力學和晶體塑性有限元方法結合起來，建立了一個新的框架，研究MPEAs的應變硬化行為，實現了包括納米尺度晶格畸變和微尺度位錯硬化在內的復雜跨尺度因素對塑性變形的影響，作者結合MD、DDD、CPFE模擬方法和隨機場理論(圖1)，提出了一種可捕捉MPEAs中嚴重晶格畸變的分層多尺度方法來建模MPEAs，該方法連接了三個長度尺度(納米尺度、微觀尺度和中尺度)，為深入理解納米-微米-中尺度結構相關的微尺度變形機制提供了新的思路，并為研究先進MPEAs的多尺度微結構調控相關的優越力學性能提供了可能和途徑。
圖1：用分層多尺度建模方法估計晶體塑性本構模型中的硬化參數。用MD、DDD和CPFE耦合模型預測了多晶材料在不同長度尺度下的力學響應。
展開 西南大學王明教授課題組Carbon綜述：多界面多尺度電磁屏蔽高分子復合材料的構建、屏蔽機理及研究展望
最近，課題組與四川大學郭少云教授課題組合作，對具有多層次結構的導電高分子電磁屏蔽復合材料進行了總結和歸納；主要綜述了隔離結構、多層/三明治結構、發泡/多孔結構、預制導電網絡結構、多相多組分結構等結構的構建和電磁屏蔽機理（如下圖所示），并對多界面多尺度導電高分子電磁屏蔽材料的研究進行了展望。
相關研究成果“Construction, Mechanism and Prospective of Conductive Polymer Composites with Multiple Interfaces for Electromagnetic Interference Shielding: A Review” 近期發表在 Carbon上。通訊作者為西南大學化學化工學院王明教授、四川大學高分子材料工程國家重點實驗沈佳斌教授、郭少云教授。該項目受到重慶市科技局項目，高分子材料工程國家重點實驗開放課題資助。
論文鏈接：
M. Wang*, X.-H. Tang, J.-H. Cai, H. Wu, J.-B. Shen*, S.-Y. Guo*, Construction, Mechanism and Prospective of Conductive Polymer Composites with Multiple Interfaces for Electromagnetic Interference Shielding: A Review, Carbon, 2021, 177, 377-402.
展開 Digimat：復合材料多尺度建模的創新力量
在當今追求高性能與可持續發展的工業領域，復合材料正成為越來越多行業的首選材料。其卓越的比強度、比模量、耐腐蝕性和高度可設計性，使其在航空航天、汽車制造、電子設備等行業中逐漸取代傳統金屬材料。然而，傳統的復合材料分析方法難以準確捕捉材料微觀結構對宏觀性能的影響，導致設計中不得不引入較大安全系數，既增加成本又限制材料性能發揮。但現在，一款名為 Digimat 的軟件徹底改變了這一局面。
Digimat 是由 e-Xstream engineering（現歸屬 Hexagon Manufacturing Intelligence）開發的專業復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框架，實現了從微觀纖維 / 基體界面到宏觀結構性能的跨尺度預測。其強大功能體現在多個方面。
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，能夠精確預測復合材料的局部應力 / 應變場。以碳纖維 / 環氧樹脂體系為例，該模塊展現出極高的建模精度。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，其預測纖維取向分布與 CT 掃描結果相關性達 0.91，翹曲變形預測精度比傳統方法提高 40%，計算時間比同類軟件縮短 30%（相同硬件配置）。
Digimat 在行業應用中成果顯著。在航空航天領域，某型無人機機翼設計借助 Digimat，成功減重 15% 的同時保持等效剛度，開發周期縮短 6 個月，物理試驗次數減少 60%。在汽車輕量化方面，某電動車電池包殼體項目使用 Digimat 后，最大應力降低 14.3%，生產成本降低 20% 。
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Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的應用
綜上所述，可以看出 Lattice Simulation的多尺度算法可以有效地減少建模難度，并進行高效求解計算，同時能夠保證很高的計算精度。
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使用多尺度注意力進行語義分割
多尺度圖像在網絡中運行，并將結果使用平均池化組合起來。
使用平均池化作為一個組合策略，將所有尺度視為同等重要。然而，精細的細節通常在較高的尺度上被最好地預測，大的物體在較低的尺度上被更好地預測，在較低的尺度上，網絡的感受野能夠更好地理解場景。
學習如何在像素級結合多尺度預測可以幫助解決這個問題。之前就有關于這一策略的研究，Chen等人的Attention to Scale是最接近的。在這個方法中，同時學習所有尺度的注意力。我們將其稱為顯式方法，如下圖所示。
圖3，Chen等人的顯式方法是學習一套固定尺度的密集注意力mask，將它們結合起來形成最終的語義預測。
受Chen方法的啟發，我們提出了一個多尺度的注意力模型，該模型也學會了預測一個密集的mask，從而將多尺度的預測結合在一起。但是在這個方法中，我們學習了一個相對的注意力mask，用于在一個尺度和下一個更高的尺度之間進行注意力，如圖4所示。我們將其稱為層次方法。
圖4，我們的分層多尺度注意力方法。上圖：在訓練過程中，我們的模型學會了預測兩個相鄰尺度對之間的注意力。下圖：推理以鏈式/分層的方式完成，以便將多個預測尺度組合在一起。低尺度注意力決定了下一個更高尺度的貢獻。
這種方法的主要好處如下：
理論訓練成本比Chen方法降低了約4x。
訓練只在成對的尺度上進行，推理是靈活的，可以在任意數量的尺度上進行。
表3，層次多尺度注意力方法與Mapillary驗證集上其他方法的比較。
展開 【CAE案例】換熱器多尺度建模耦合
圖10 換熱器內溫度場分布
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結論與展望
本案例使用code_saturne耦合元模型，解決了尺度變化較大的換熱器模擬復雜的問題。模擬結果較好地預測了換熱器內的溫度分布情況，驗證了code_saturne計算換熱和溫度分布的能力，同時也證明了code_saturne具有較好的耦合能力，能與各種外部模型進行耦合計算。
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投影物鏡設計難點多？OAS跨尺度仿真精準實現
性能優化
通過 OAS 專項功能針對性解決投影物鏡傳統設計痛點：針對多組透鏡引發的像差耦合問題，啟用軟件像差自動校正與多配置優化算法，結合 MTF、點列圖、波前圖等專業像質評估工具，優化透鏡材質組合與面形參數，實現球差、色差的精準校正，顯著提升邊緣視場成像清晰度；
針對系統內鬼像、散射等雜散光干擾，利用雜散光分析模塊識別光學表面反射、支架散射等干擾源，優化透鏡增透膜層設計并增設遮光結構，有效降低雜散光對成像對比度的影響；針對高數值孔徑設計下的波動光學效應，通過 OAS 波動光學模塊實現偏振光線追跡與電場振幅、相位分析，精準模擬亞波長衍射效應，保障高分辨率成像需求。
投影物鏡
惠更斯PSF
波前圖
點列圖
總結
本案例通過 OAS 光學軟件的跨尺度仿真、光機一體化建模及多目標優化功能，成功突破投影物鏡傳統設計的技術瓶頸，實現了像差精準校正、雜散光有效控制與光學性能的綜合提升。相較于傳統設計流程，OAS 的高精度虛擬仿真能力大幅縮短了投影物鏡的研發迭代周期，降低了物理原型制作成本，驗證了方案的可靠性與實用性。該方案為光刻、投影顯示等領域的投影物鏡高精度設計提供了高效的技術支撐，助力高端光學成像系統的研發升級。
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