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Digimat 是由 e-Xstream engineering（現(xiàn)歸屬 Hexagon Manufacturing Intelligence）開(kāi)發(fā)的專業(yè)復(fù)合材料多尺度建模與仿真平臺(tái)。它采用獨(dú)特的多尺度方法學(xué)框架，實(shí)現(xiàn)了從微觀纖維 / 基體界面到宏觀結(jié)構(gòu)性能的跨尺度預(yù)測(cè)。其強(qiáng)大功能體現(xiàn)在多個(gè)方面。

軟件概述與技術(shù)架構(gòu)Digimat是由e-Xstream engineering（現(xiàn)歸屬Hexagon Manufacturing Intelligence）開(kāi)發(fā)的專業(yè)復(fù)合材料多尺度建模與仿真平臺(tái)。作為當(dāng)前復(fù)合材料仿真領(lǐng)域的標(biāo)桿軟件，Digimat采用獨(dú)特的多尺度方法學(xué)框架，實(shí)現(xiàn)了從微觀纖維/基體界面到宏觀結(jié)構(gòu)性能的跨尺度預(yù)測(cè)。

因此，在透鏡系統(tǒng)中整合超透鏡（metalenses）或其他平面透鏡，與傳統(tǒng)透鏡曲面及其他光學(xué)元件結(jié)合，會(huì)形成一個(gè)多尺度系統(tǒng)（multiscale system）。這就需要一種跨尺度的光學(xué)建模方法，通常稱為多尺度光學(xué)仿真（multiscale optical simulation）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，必須強(qiáng)調(diào)的是：多尺度仿真無(wú)法僅通過(guò)數(shù)據(jù)接口將多個(gè)光學(xué)軟件工具連接在一起實(shí)現(xiàn)。

另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規(guī)律和較大尺度的材料行為間建立關(guān)聯(lián)，以捕獲材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀大尺度復(fù)合材料部件的影響，因此多尺度方法針對(duì)復(fù)合材料建模具有極大優(yōu)勢(shì)。在多尺度材料設(shè)計(jì)和分析方面，LS-DYNA軟件提供了RVE建模功能，其思路是數(shù)值化地重構(gòu)材料樣本，這些數(shù)值化的材料樣本模型可以非常準(zhǔn)確地代表真實(shí)材料的微觀幾何結(jié)構(gòu)，我們將其稱為代表性體積單元，簡(jiǎn)稱RVE。

由于換熱器對(duì)熱量交換效率的要求，換熱器從流體進(jìn)口到交換區(qū)再到出口的尺度變化較大，圖一展示了一個(gè)常見(jiàn)換熱器的尺寸變化。在這種情況下，如果對(duì)換熱器進(jìn)行全計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真，需要較大網(wǎng)格量才能保證網(wǎng)格質(zhì)量，這就使得CFD仿真變得復(fù)雜和昂貴。為了節(jié)約計(jì)算成本且保證計(jì)算準(zhǔn)確度，本案例提出了不同尺度區(qū)域分開(kāi)建模再耦合的方法進(jìn)行CFD仿真，分區(qū)如圖2所示。

另一方面，多尺度模型能在較小尺度的物理規(guī)律和較大尺度的材料行為間建立關(guān)聯(lián)，以捕獲材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀大尺度復(fù)合材料部件的影響，因此多尺度方法針對(duì)復(fù)合材料建模具有極大優(yōu)勢(shì)。在多尺度材料設(shè)計(jì)和分析方面，LS-DYNA軟件提供了RVE建模功能，其思路是數(shù)值化地重構(gòu)材料樣本，這些數(shù)值化的材料樣本模型可以非常準(zhǔn)確地代表真實(shí)材料的微觀幾何結(jié)構(gòu)，我們將其稱為代表性體積單元，簡(jiǎn)稱RVE。

湖南大學(xué)的Qihong Fang等人將原子模擬、離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)和晶體塑性有限元方法結(jié)合起來(lái)，建立了一個(gè)新的框架，研究MPEAs的應(yīng)變硬化行為，實(shí)現(xiàn)了包括納米尺度晶格畸變和微尺度位錯(cuò)硬化在內(nèi)的復(fù)雜跨尺度因素對(duì)塑性變形的影響，作者結(jié)合MD、DDD、CPFE模擬方法和隨機(jī)場(chǎng)理論(圖1)，提出了一種可捕捉MPEAs中嚴(yán)重晶格畸變的分層多尺度方法來(lái)建模MPEAs，該方法連接了三個(gè)長(zhǎng)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(gè)尺度上預(yù)測(cè)的不足，來(lái)自凝固加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Xinxin Sun等人將元胞自動(dòng)機(jī)晶體塑性有限元法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巧妙地結(jié)合起來(lái)，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預(yù)測(cè)模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結(jié)構(gòu)演變，如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)，用于解釋RVE的響應(yīng)。

復(fù)合材料多尺度力學(xué)仿真中，代表性體積單元（RVE）的幾何建模與網(wǎng)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(xù)網(wǎng)格匹配。當(dāng)纖維端面與基體表面未能完全共面時(shí)，往往產(chǎn)生微小幾何階躍，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)投影誤差。這些問(wèn)題在手動(dòng)腳本處理時(shí)出錯(cuò)的概率較高。

它結(jié)合了微觀和宏觀兩個(gè)尺度的有限元分析，能夠在多尺度上捕獲材料的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)。Direct FE2 的原理：Direct FE2 是一種強(qiáng)耦合多尺度方法，其核心思想是在每個(gè)宏觀積分點(diǎn)處嵌套一個(gè)細(xì)觀有限元模型，以實(shí)現(xiàn)宏觀響應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體變形和力學(xué)行為。

圖1　跨尺度有限元鉆孔原理圖 在RVE模型上選取多個(gè)參考點(diǎn)來(lái)計(jì)算纖維和基體的微觀應(yīng)力。同時(shí)，在三個(gè)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(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)。本研究選取最危險(xiǎn)的點(diǎn)來(lái)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(nèi)通過(guò)參數(shù)化建模建立骨料、纖維、孔隙及界面過(guò)渡區(qū)幾何圖形，各組分在CAD內(nèi)已分圖層，需要分別另存為dxf文件后再導(dǎo)入到ABAQUS。

為解決這一問(wèn)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(gè)積分點(diǎn)內(nèi)部嵌入一個(gè)由多個(gè) 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(guò) Taylor 型均勻化獲得積分點(diǎn)平均應(yīng)力。這樣，宏觀有限元計(jì)算不再只依賴經(jīng)驗(yàn)塑性曲線，而是能夠?qū)崟r(shí)考慮晶粒取向和織構(gòu)演化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

5.多尺度建模與優(yōu)化設(shè)計(jì) 從纖維-樹(shù)脂微結(jié)構(gòu)到整體構(gòu)件宏觀響應(yīng)的多尺度模擬與參數(shù)優(yōu)化（常與AI結(jié)合）。

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

本文主要講述該軟件在材料研發(fā)領(lǐng)域的表現(xiàn)，著重介紹J-OCTA通過(guò)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(jì)算軟件優(yōu)于其他軟件的地方在于J-OCTA中所有輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果都對(duì)用戶開(kāi)放，便于定制運(yùn)算。

Digimat是一款專注于多尺度復(fù)合材料非線性材料本構(gòu)預(yù)測(cè)和材料建模的商用軟件包。Digimat能夠幫助用戶預(yù)測(cè)多相材料的宏觀性能，支持的材料范圍涉及包含連續(xù)纖維、長(zhǎng)纖維、短纖維、纖維編織、晶須、顆粒、片層等所有增強(qiáng)相和包括樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基在內(nèi)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(jìn)行多尺度的耦合分析。

這樣，RVE 內(nèi)部既允許存在晶粒尺度的不均勻變形與應(yīng)力波動(dòng)，又保證了邊界處與“相鄰單元”拼接時(shí)的兼容性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)限材料內(nèi)部行為的合理近似。 在很多工程實(shí)現(xiàn)里，周期性邊界常依賴“節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)”：要求相對(duì)兩邊（兩面）具有嚴(yán)格相同的網(wǎng)格拓?fù)渑c節(jié)點(diǎn)分布。為了滿足這一點(diǎn)，建模時(shí)往往需要：在幾何上確保邊界嚴(yán)格對(duì)齊；在網(wǎng)格上強(qiáng)制生成周期匹配節(jié)點(diǎn)；甚至為滿足配對(duì)而犧牲局部網(wǎng)格質(zhì)量。