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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。

軟件概述與技術架構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。作為當前復合材料仿真領域的標桿軟件，Digimat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。

另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規律和較大尺度的材料行為間建立關聯，以捕獲材料微觀結構對宏觀大尺度復合材料部件的影響，因此多尺度方法針對復合材料建模具有極大優勢。在多尺度材料設計和分析方面，LS-DYNA軟件提供了RVE建模功能，其思路是數值化地重構材料樣本，這些數值化的材料樣本模型可以非常準確地代表真實材料的微觀幾何結構，我們將其稱為代表性體積單元，簡稱RVE。

因此，在透鏡系統中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統透鏡曲面及其他光學元件結合，會形成一個多尺度系統（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學建模方法，通常稱為多尺度光學仿真（multiscale optical simulation）。簡單來說，必須強調的是：多尺度仿真無法僅通過數據接口將多個光學軟件工具連接在一起實現。

由于換熱器對熱量交換效率的要求，換熱器從流體進口到交換區再到出口的尺度變化較大，圖一展示了一個常見換熱器的尺寸變化。在這種情況下，如果對換熱器進行全計算流體力學（CFD）仿真，需要較大網格量才能保證網格質量，這就使得CFD仿真變得復雜和昂貴。為了節約計算成本且保證計算準確度，本案例提出了不同尺度區域分開建模再耦合的方法進行CFD仿真，分區如圖2所示。

另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規律和較大尺度的材料行為間建立關聯，以捕獲材料微觀結構對宏觀大尺度復合材料部件的影響，因此多尺度方法針對復合材料建模具有極大優勢。在多尺度材料設計和分析方面，LS-DYNA軟件提供了RVE建模功能，其思路是數值化地重構材料樣本，這些數值化的材料樣本模型可以非常準確地代表真實材料的微觀幾何結構，我們將其稱為代表性體積單元，簡稱RVE。

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

為了克服多尺度模型在單個尺度上預測的不足，來自凝固加工國家重點實驗室的Xinxin Sun等人將元胞自動機晶體塑性有限元法和人工神經網絡巧妙地結合起來，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預測模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結構演變，如動態再結晶(DRX)，用于解釋RVE的響應。

復合材料多尺度力學仿真中，代表性體積單元（RVE）的幾何建模與網格劃分是前處理階段的主要工作之一。受周期性邊界條件的約束，纖維在模型邊界處的切割精度直接影響后續網格匹配。當纖維端面與基體表面未能完全共面時，往往產生微小幾何階躍，導致節點投影誤差。這些問題在手動腳本處理時出錯的概率較高。

它結合了微觀和宏觀兩個尺度的有限元分析，能夠在多尺度上捕獲材料的細觀力學響應。Direct FE2 的原理：Direct FE2 是一種強耦合多尺度方法，其核心思想是在每個宏觀積分點處嵌套一個細觀有限元模型，以實現宏觀響應與微觀行為之間的直接相互作用。 宏觀有限元（FE）模型： 描述宏觀結構的整體變形和力學行為。

圖1　跨尺度有限元鉆孔原理圖 在RVE模型上選取多個參考點來計算纖維和基體的微觀應力。同時，在三個方向和剪切面分別施加不同法線方向和剪切方向的荷載，可以得到相應的應力響應。本研究選取最危險的點來判斷RVE模型在多軸加載下的單元失效，如圖2所示。

本案例中，采用CAD纖維混凝土2D V1.1插件在AutoCAD內通過參數化建模建立骨料、纖維、孔隙及界面過渡區幾何圖形，各組分在CAD內已分圖層，需要分別另存為dxf文件后再導入到ABAQUS。

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。

5.多尺度建模與優化設計 從纖維-樹脂微結構到整體構件宏觀響應的多尺度模擬與參數優化（常與AI結合）。

本文主要講述該軟件在材料研發領域的表現，著重介紹J-OCTA通過建模、求解、分析等功能在材料多尺度仿真方面的重要作用。（圖1：離子液體的MD模擬）（圖2：全原子及粗粒化模型示意圖）J-OCTA作為計算軟件優于其他軟件的地方在于J-OCTA中所有輸入數據和計算結果都對用戶開放，便于定制運算。

[9]吳佰建，李兆霞，湯可可.大型土木結構多尺度模擬與損傷 分析——從材料多尺度力學到結構多尺度力學[J].力學進 展，2007（3）：321-336.[10]王大東.鋼筋混凝土結構多尺度建模與數值分析[D].大 連：大連理工大學，2014.

Digimat是一款專注于多尺度復合材料非線性材料本構預測和材料建模的商用軟件包。Digimat能夠幫助用戶預測多相材料的宏觀性能，支持的材料范圍涉及包含連續纖維、長纖維、短纖維、纖維編織、晶須、顆粒、片層等所有增強相和包括樹脂基、金屬基和陶瓷基在內的多類基體材料。廣泛的軟件接口可以為幾乎所有的主流有限元程序提供材料模型或進行多尺度的耦合分析。

這樣，RVE 內部既允許存在晶粒尺度的不均勻變形與應力波動，又保證了邊界處與“相鄰單元”拼接時的兼容性，從而實現對無限材料內部行為的合理近似。 在很多工程實現里，周期性邊界常依賴“節點一一對應”：要求相對兩邊（兩面）具有嚴格相同的網格拓撲與節點分布。為了滿足這一點，建模時往往需要：在幾何上確保邊界嚴格對齊；在網格上強制生成周期匹配節點；甚至為滿足配對而犧牲局部網格質量。