voronoi晶粒
關(guān)注創(chuàng)建者：阿信老師 創(chuàng)建時間：2018-09-20
voronoi晶粒的實例教程
在進行多晶粒材料力學數(shù)值模擬時，voronoi模型被廣泛應用，目前算法也較多，有興趣的同學可參考計算機圖形學相關(guān)教材。
就筆者個人經(jīng)驗，voronoi晶粒模型的網(wǎng)格質(zhì)量往往會對計算過程和結(jié)果產(chǎn)生較大影響。原因就在于：常規(guī)算法得到的voronoi圖形出現(xiàn)的短邊和小平面會導致模型整體單元數(shù)量增加以及不良單元出現(xiàn)概率增大。解決這類問題的方法就是：voronoi圖形優(yōu)化，去除短邊和小平面。
本期案例為一個立方體模型，晶粒數(shù)量均為20個，對比voronoi多面體經(jīng)過圖形優(yōu)化和沒有優(yōu)化的網(wǎng)格差異。
圖1、voronoi晶粒形狀優(yōu)化與網(wǎng)格質(zhì)量對比，左圖為Cubic_1、右圖為Cubic_2，從上至下依次為幾何結(jié)構(gòu)圖、網(wǎng)格剖分圖，零厚度內(nèi)聚力單元晶界圖
從上圖可知，經(jīng)過形狀優(yōu)化后的voronoi晶粒模型網(wǎng)格質(zhì)量得到了有效提升，網(wǎng)格數(shù)量明顯下降，不良單元得到了消除。不難看出，經(jīng)過優(yōu)化的模型，計算時長和結(jié)果精度將會優(yōu)于未優(yōu)化的模型。
注： 本項目目前不接受答疑，僅提供工程協(xié)作，協(xié)作范圍：各類立方體狀、柱狀、球狀voronoi晶粒模型的構(gòu)建，包含但不限于：常規(guī)模型，優(yōu)化模型，晶粒長大模型、包含亞晶粒的多尺度晶粒模型等。
如需協(xié)作請?zhí)崆皩€人需求整理成word，私信留言，我會及時回復。
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展開 COMSOL中梯度Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)建模，可精準研究非均勻晶粒對力學、熱傳導及失效的多物理場影響，為高性能梯度材料設(shè)計提供理論依據(jù)，助力航空航天與電子領(lǐng)域應用，推動微觀-宏觀性能關(guān)聯(lián)研究。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立大小尺寸梯度分布的晶粒結(jié)構(gòu)模型。
首先通過AutoCAD軟件繪制矩形模型外邊框線，模型外邊框應當在“0”圖層上繪制，并且應采用一條多段線分段繪制，分段的原則為每段尺寸對應相應位置的晶粒尺寸數(shù)據(jù)。
采用CAD二維圖形Voronoi劃分插件進行梯度晶粒的生成，晶粒直徑參數(shù)設(shè)置為模型中最大的晶粒尺寸，晶界厚度根據(jù)實際情況設(shè)置，晶粒類型選取梯度適應，邊界模式開啟自動尺寸。
將建立好的梯度Voronoi模型導入到COMSOL內(nèi)，需注意晶粒及晶界應分兩次導入，導入后建立聯(lián)合體。
分別設(shè)置晶粒及晶界的材料屬性，并完成網(wǎng)格劃分，后續(xù)可根據(jù)研究的需要完成仿真模擬分析。
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展開 非等速生長晶體模型簡介
對于標準Voronoi而言，每個晶粒的生長速率是相同的，任意兩個晶粒的交界線為其形核點連線的垂直平分線，交界線為一條直線，如圖1.1所示。
圖1.1 標準Voronoi晶粒交界線
而對于非等速生長Voronoi晶體而言，由于晶粒生長速率的不同，導致兩個晶粒的交界線不再是其連線的垂直平分線，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，如圖1.2所示。
圖1.2 非等速生長Voronoi晶粒交界線
標準Voronoi相比于非等速生長Voronoi的另一個區(qū)別是：標準Voronoi生成的晶粒是全凸的，而非等速生長Voronoi生成的晶粒是凹的，如圖1.3所示。
展開 非等速生長Voronoi晶體模型生成插件
[AbqHyperVoronoi插件]
非等速生長晶體模型簡介
對于標準Voronoi而言，每個晶粒的生長速率是相同的，任意兩個晶粒的交界線為其形核點連線的垂直平分線，交界線為一條直線，如圖1.1所示。
圖1.1 標準Voronoi晶粒交界線
而對于非等速生長Voronoi晶體而言，由于晶粒生長速率的不同，導致兩個晶粒的交界線不再是其連線的垂直平分線，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，如圖1.2所示。
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_312" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/201808/a3a560fbacad49ce8c56ae3608491c03.jpg"><br></div><br>
</div><p>b對于三維模型，目前也是主要有以上兩種方法生成，但是對于三維模型，如果由MATLAB中的voronoi函數(shù)編程實現(xiàn)晶粒模型創(chuàng)建，那么，必須還要通過MATLAB再編一個提取定點坐標，然后由點構(gòu)建線，由線構(gòu)建面，由面構(gòu)建體的程序，然后把模型導入ABAQUS中，雖然可以實現(xiàn)，但是過程比較復雜，因此，一般都選擇第二種方法。第二種方法就是使用Python中的voronoi函數(shù)直接編程實現(xiàn)，這樣模型無需通過中間過程，便可以直接在ABAQUS中生成，因為使用Python編程晶粒模型，必須借助于Python的一些庫，所以我們需要提前安裝這些庫文件。下面給出使用Python二次開發(fā)編程建立的三維voronoi晶粒模型:</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201808/6e77e1db7cc8433c971212874b0c35d5.jpg" alt="4.jpg" height="384" width="411"></p><p><br></p><p>2 使用插件建立voronoi模型:</p><p>當然，對于二維和三維模型目前還有一些公開的插件和收費的插件可用，公開的插件用于二維voronoi模型建立的有homtool插件，對于三維voronoi模型建立的有應用于linux系統(tǒng)上的neper軟件，這需要具備一定的linux基礎(chǔ)，另外需要詳細研究neper的使用。
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voronoi晶粒的最新內(nèi)容
本案例介紹在Abaqus CAE內(nèi)建立呈現(xiàn)不同梯度分布模式的二維Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)模型。
模型輪廓草圖預先在AutoCAD內(nèi)建立，在“0”圖層上建立正方形，在“hole”圖層建立內(nèi)部的孔，這里的孔采用的是正多邊形，以確保能以多邊形的邊長生成對應的梯度晶粒。
首先需要在AutoCAD內(nèi)手動建立需要的三維模型部件，然后通過CAD三維模型Voronoi劃分插件設(shè)置晶粒參數(shù)，對模型進行Voronoi三維分區(qū)。
針對模型中的Voronoi晶粒，可賦予差異化的材料屬性。
隨后可進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，并執(zhí)行晶體結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析。
對模型中的Voronoi晶粒設(shè)置不同的材料屬性。
可劃分網(wǎng)格，并進行晶體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析。
COMSOL中梯度Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)建模，可精準研究非均勻晶粒對力學、熱傳導及失效的多物理場影響，為高性能梯度材料設(shè)計提供理論依據(jù)，助力航空航天與電子領(lǐng)域應用，推動微觀-宏觀性能關(guān)聯(lián)研究。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立大小尺寸梯度分布的晶粒結(jié)構(gòu)模型。
插件可設(shè)置Voronoi晶粒的粒徑尺寸。
且可分別設(shè)置內(nèi)部晶粒及表面晶粒的粒徑，同時插件會基于模型局部尺寸自適應晶粒粒徑。
插件可設(shè)置晶界的厚度，當晶界厚度設(shè)置為0時無晶界。
Voronoi圖以晶粒中心為生成點劃分區(qū)域，可用于模擬多晶材料的晶界行為、斷裂及應力分布，是材料科學中分析晶體結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵工具。本案例介紹在COMSOL內(nèi)建立二維Voronoi晶粒及晶界模型。
軟件可用于電子背散射衍射技術(shù)圖像 (EBSD)、CT掃描圖像、多組分Voronoi晶粒結(jié)構(gòu)等圖像的多相材料分區(qū)預處理。
說明提醒
該軟件可在Windows 7/8/10/11系統(tǒng)上運行。
軟件需要注冊，注冊完成后即可永久使用。
本案例介紹在ABAQUS內(nèi)基于Voronoi建立多晶體材料晶粒及晶界模型，并進行多晶材料的斷裂模擬。
多晶材料晶粒及晶界模型采用CAD Voronoi V3 多圖層版生成，插件可將不同組分的晶粒在CAD內(nèi)進行分圖層繪制，可控制晶粒占比參數(shù)，以精確建立多晶體模型。
<p> 已有大佬做了基于cohesive+泰森多邊形(Voronoi)插件模擬晶粒之間的晶界開裂的視頻，這個視頻中晶粒模型主要是通過homtools插件建立的，cohesive單元的建立是通過Cohesive_generator_2D3D插件實現(xiàn)的。
