非线性多尺度复合材料和结构预测平台
复合材料的多尺度模拟与分析
复合材料的多尺度模拟与分析在当今科技飞速发展的时代，复合材料因其卓越的性能在众多领域得到了广泛应用，从航空航天到汽车制造，从生物医学到电子设备，无处不在。
为了更深入地理解和优化复合材料的性能，多尺度模拟与分析技术应运而生，成为了材料科学研究中的重要手段。
复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，这些不同的组分在微观尺度上相互作用，共同决定了复合材料的宏观性能。
然而，要准确预测和理解复合材料的性能，仅仅依靠实验研究是远远不够的。
实验研究往往受到时间、成本和技术限制，而且无法直接观察到材料内部在不同尺度下的微观结构和物理过程。
这就需要借助多尺度模拟与分析技术，从原子、分子水平到微观结构，再到宏观尺度，全面深入地研究复合材料的性能。
在原子和分子尺度上，量子力学模拟方法如密度泛函理论（DFT）等被用于研究复合材料中原子之间的化学键合、电子结构和相互作用。
通过这些模拟，可以了解材料的基本物理性质，如电学、光学和磁学性能等，为设计具有特定功能的复合材料提供理论基础。
当研究范围扩大到纳米和微米尺度时，分子动力学（MD）模拟和蒙特卡罗（MC）方法就发挥了重要作用。
分子动力学模拟可以追踪原子和分子在一定时间内的运动轨迹，从而研究材料的热性能、力学性能和扩散过程等。
蒙特卡罗方法则适用于研究材料中的随机过程，如晶体生长、相变等。
在微观尺度上，有限元分析（FEA）和有限差分法（FDM）是常用的模拟方法。
这些方法可以建立复合材料的微观结构模型，如纤维增强复合材料中的纤维分布、基体与纤维的界面结合等，并计算其力学性能，如强度、刚度和韧性等。
通过微观尺度的模拟，可以优化复合材料的微观结构，提高其性能。
而在宏观尺度上，基于连续介质力学的理论和方法，如均匀化理论和等效介质理论等，可以将微观结构的性能等效地转化为宏观材料参数，从而预测复合材料在宏观尺度上的行为。
例如，在结构设计中，可以通过宏观尺度的模拟预测复合材料结构在受力情况下的变形、应力分布和失效模式等。
Digimat介绍资料
DIGIMAT 针对材料开发人员和结构分析人 员提供了六个主要模块，涵盖多相材料的性能 预报、材料微观结构建模与分析、材料数据管 理、材料模型的实验数据校对、工艺分析结果 的读取与映射、工艺仿真软件和结构有限元软
DIGIMAT-MF
DIGIMAT-MF 是基于 Eshelby 夹杂理论，采 用 Mean Field 均匀化方法的多相材料非线性材 料本构预测工具。作为一种半分析方法，
2D 机织物的建模
变情况的模块。通过定义单相材料的材料本构
DIGIMAT-MF 支持的虚拟实验加载：
单调加载、循环加载、自定义历程加载 多向应力应变载荷 力学载荷、热力学载荷 预测热传导和导电性能 加载有限元软件分析结果
DIGIMAT-MF 支持的失效模式：
模型，微结构的几何特征即可采用相应的随机 算法生成材料微观结构特征单元的随机几何模 型，并通过调用商用有限元程序计算材料微观 结构上的应力应变分布情况，并可在后处理中 分析应力应变的分布概率以及材料的等效均化
FPGF 模型 (First Pseudo-Grain Failure 模型)， 本构模型。
用于短纤维增强材料的渐进失效
失效准则可建立在宏观和单相（纤维、基体等）
等不同尺度上
失效模型包含：最大应力、最大应变、Tsai-Hill
2D & 3D、Azzi-Tsai-Hill 2D、Tsai-Wu 2D & 3D、
去几十年里复合材料发展出越来越多的种类，其中的很多都超出了经典复合材料力学的应用范围，
基于微观尺度的，更普适的复合材料性能预测方法和结构分析方法成为了新的研究热点。DIGIMAT
正是基于这些研究的商用软件包。
DIGIMAT 是比利时 eXstream 工程公司于 2003 年推出的专注于多尺度复合材料非线性材料本构
复合材料的多尺度分析
复合材料的多尺度分析引言复合材料是由两种或更多种材料组合而成的材料，具备良好的机械性能、化学稳定性和热稳定性等特性。
然而，复合材料的复杂结构和多尺度特性使得其性能预测和优化变得非常困难。
针对这一问题，多尺度分析成为了复合材料领域的重要研究方向。
多尺度分析可以将复合材料的结构和性能在不同尺度上进行建模和研究，从而提高对其性能的理解和控制能力。
多尺度分析的基本原理多尺度分析是一种将宏观结构性质与微观结构特征相耦合的方法。
它通过将复合材料划分为宏观尺度、中观尺度和微观尺度，并在不同尺度上进行逐层分析和建模，以实现多尺度特性的全面分析。
宏观尺度分析宏观尺度分析关注复合材料整体的宏观性能，例如强度、刚度和热膨胀系数等。
在宏观尺度上，可以通过有限元分析等数值方法建立复合材料的宏观模型，从而预测其整体性能。
中观尺度分析中观尺度分析考虑复合材料中的细观结构特征，例如纤维与基体之间的界面、纤维的方向和分布等。
在中观尺度上，可以使用计算力学或统计学方法对复合材料的细观结构进行建模和分析，以揭示细观结构对复合材料性能的影响。
微观尺度分析微观尺度分析关注复合材料中的单个纤维和基体的性质，例如纤维的力学性能和基体的化学性质。
在微观尺度上，可以使用分子动力学模拟和量子力学计算等方法对复合材料的微观结构和力学性能进行研究。
多尺度分析的应用多尺度分析在复合材料领域有着广泛的应用。
以下是一些典型的应用案例：复合材料强度预测通过多尺度分析，可以揭示复合材料中宏观结构、中观结构和微观结构之间的相互作用，从而预测其强度。
例如，通过建立宏观模型和微观模型，可以计算复合材料的应力分布和损伤演化，从而预测其在不同加载条件下的破坏强度。
复合材料优化设计多尺度分析可以帮助优化复合材料的设计。
通过在不同尺度上进行分析和模拟，可以评估不同结构和成分对复合材料性能的影响，并寻找最佳的设计方案。
例如，在微观尺度上优化纤维的取向和分布，可以提高复合材料的强度和韧性。
Abaqus Digimat培训
Abaqus培训1.Abaqus概述：Abaqus是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决的问题的范围从相对简单的线形分析到许多复杂的非线形问题。
2.CAE基础介绍：CAE指用计算机求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。
CAE软件可作静态结构分析，动态结构分析，研究线形、非线形问题，分析结构（固体）、流体、电磁等。
3.Abaqus界面介绍：①几何建模Part②划分网格Mesh③特性设置Property④建立装配体Assembly⑤定义分析步Step⑥相互作用Interaction⑦载荷边界Load⑧提交运算Job⑨后处理Visualization4.Abaqus基本操作：旋转模型: Ctrl+Alt+鼠标左键平移模型: Ctrl+Alt+鼠标中键缩放模型: Ctrl+Alt+鼠标右键4.静力学分析练习：①导入几何模型bsd_asm.stp②进入部件平台，将原复杂模型切割成若干个简单Cell。
③进行网格划分④定义材料属性，定义截面属性，分配截面属性。
⑤导入装配体模块，利用旋转、平移、约束命令调整装配位置。
⑥建立分析步⑦进入Interaction模块，建立Tie约束。
⑧进入Load模块，选择固定端，建立边界条件（固定）。
施加重力载荷。
⑨进入Job管理器，提交运算，打开监控截面进行实时监控。
⑩运算完成后，输出应力云图和位移云图。
得到结果数据。
5.静力分析例子1-方形板按压测试加载；①建立Part-1部件，绘制300x200平板模型（可变形、壳、平面）②建立Part-2部件，绘制草图、利用旋转命令绘制直径30mm 的离散刚性探头。
创建参考点。
③定义材料属性，创建截面属性，分配截面属性。
④导入装配体，调整探头与平板的位置。
⑤建立分析步⑥相互作用模块中，建立接触约束，法向行为和切向行为均采取默认值。
选择刚性体作为主面，平板作为从面。
⑦载荷模块中，选择两侧边创建边界条件，完全固定，限制六个方向自由度。
DIGIMAT软件详解
系统 ，为仿真模拟和席拟样机提供 了一个 口扩展旦并不昂贵的高 １
性 能计 算 解 决 方 案 。 “ Ｏ Ｓ Ｌ 司为 代 表 的科 学 与工 程 软件 开 发 商正 在积 极 开 以Ｃ Ｍ Ｏ 公 发 能 够 在 Ｗｎ ｏ ｓＨ ＣＳ ｒｅ ０ ８ ｉｄ ｗ Ｐ ｅｖ ｒ２０ 系统 下 运 行 的 大型 工具 包 ，这 些 性 能 优 异 、功 能 强 大 的开 发 工 具可 以有 效 地 帮助 科 学 家和 工 程 师 们 大幅 提 升 他 们探 索和 发 现新 事 物 的 速度 ， ”微软 公 司 高性 能
模 态 分 析 结 果 与 实 验 比 较 。 从 图 中可 知 ，采 用 ＤＧ Ｍ Ｔ 料 模 型 ＩＩ Ａ 材 与 实 验 结 果 误 差 在 ５ 以 内 ，这 是 因为 ＤＧＭ Ｔ 料 模 型 可 以考 虑 ％ Ｉ ＩＡ 材
２ＩＩ； Ａ１ 汽 车 行 业 的 应 用 ． （ｔ 在 ） Ｍ ’ ｐ
汽车行 业是一个 高速发展 的行 业 ，其竞争也 目趋激烈 ，在 这种情况 下 ，新产品推 出的速度也越来越快 ，这也对行业的Ｃ Ｅ Ａ
图１ 应 力 一 变 曲线 应
应 用提 出了越 来越高的要求。Ｃ Ｅ Ａ 技术为汽车行业 的高速 发展提 供具有 中心价值地位 的技术保障 ，可以为企业带来 巨大的技术经 济效益。 由于复合材料 的高性能、低成本等优越性能 ，汽车部件 越来越广泛地采 用复合材料 ，这也对Ｃ Ｅ Ａ 模拟技术提 出了新 的挑 战 ，因为传统Ｃ Ｅ Ａ 中的材料模型通常不考虑纤维取 向等 因素，这 会给计算机仿真带来较大 的误差。 图５ 是采用Ｄ ＧＭ Ｔ Ｉ ＩＡ 材料 模型整合有 限元技术 在汽车保险杠
只 有 在 用 户 亲 身体 验 后 ，才 能完 全 地 体 会 到 新 魅 力所 在 。 代 仿真 软 件 的
Digimat介绍资料511
Isotropic
逆向回归 FPGF 强度值
DIGIMAT-CAE
DIGIMAT-CAE 是 DIGIMAT 与其他 CAE 程序的 接口，工艺仿真软件能够通过 DIGIMAT-CAE 与 结构仿真软件连接起来，从而实现考虑工艺影 响的，多尺度耦合的结构有限元仿真。 在耦合分析每个增量步的求解中，各积分 点上的材料刚度都会根据该位置的微观结构特 征由 Digimat 通过场均匀化分别计算得出。在耦 合分析中，Digimat 以用户子程序形式参与耦合 迭代，不受有限元软件本身的材料模型限制。
DIGIMAT-MF 支持的虚拟实验加载：
DIGIMAT-FE
DIGIMAT 是通过建立反应材料微观结构特 征的代表性体积单元（RVE） ，并通过有限元分 析获取材料均化性能和微观尺度上局部应力应 变情况的模块。通过定义单相材料的本构模型， 微结构的几何特征即可采用随机算法生成材料 微观结构特征单元的几何模型，并通过调用内 部或外部商用有限元程序计算材料微观结构上 的应力应变分布情况，并可在后处理中分析应 力应变的分布概率以及材料的平均性能。
网格自动划分：低阶/高阶四面体单元、voxel 单元 有限元隐式非线性计算：支持多核并行 有限元结果后处理
DIGIMAT-FE 支持的外部求解器：
Marc：2013.1 Ansys workbench：15.0 Abaqus/ CAE：6.14
RVE 求解的后处理主要分为两部分。 首先在 FEA 软件的后处理中可以得到纤维和树脂上的
热弹粘塑性本构
DIGIMAT-MF 中的均化算法：
Mori-Tanaka法
单调加载、循环加载、自定义历程加载 多向应力应变载荷 力学载荷、热力学载荷 预测热传导和导电性能
复合材料强度参数预测的多尺度分析方法
复合材料强度参数预测的多尺度分析方法余新刚摘要复合材料宏观力学性能的理论预测是对复合材料及其结构一体化优化设计的基础，复合材料力学性能预测包括刚度参数和强度参数的预测。
到目前为止，对于复合材料刚度参数的预测已经有很多成熟的理论和方法，然而对于强度参数的预测仍然是一个难题。
在众多成熟的刚度预报方法中，基于均匀化理论的多尺度方法是一种适应于周期性构造复合材料的，通用、高效、精确的方法。
本文主要研究复合材料强度参数预报的多尺度分析方法。
首先，本文针对具有周期性构造的复合材料，将其强度参数分解为局部拉伸、弯曲和扭转三种单因素的强度行为，采用直杆拉伸、弯曲和扭转三种承载模型，给出了周期性复合材料的线弹性强度预测方法，主要结果是：推导了用于强度参数预测的多尺度公式，给出了周期性复合材料直杆在拉伸、弯曲和扭转状态下的应变场表达式。
通过大量的数值算例，以及与试验数据的对比，验证了算法的可行性和有效性。
此外，作为一个典型的应用实例，对四步法编织复合材料的强度进行了分析。
首先将计算结果与试验数据进行了对比，以验证多尺度分析方法在四步法编织复合材料强度预测方面的有效性。
随后对四步法编织复合材料的强度进行了深入研究，给出了细观特征参数：纤维体积含量和编织角，对强度的影响，其结果对编织复合材料的设计和优化具有一定的参考价值。
论文的第二部分研究了随机构造复合材料强度参数预测的多尺度计算方法，在介绍了一种含大量随机颗粒分布复合材料数值模拟算法的基础上，发展并实现了针对这种三维区域的四面体网格剖分算法，为进一步的强度分析提供了高质量的数值模型。
进而，本文针对随机颗粒分布复合材料的特点，将其表征为具有周期性随机分布颗粒的复合材料，推导了基于统计概念的多尺度分析的强度预测公式，给出了直杆均匀拉伸、悬臂梁纯弯曲和圆形常截面柱体扭转的应变场表达式，以及统计意义下的随机分布复合材料的线弹性强度预测算法，并进行了大量的数值试验。
通过与物理试验数据的对比，验证了算法的有效性。
复合材料多层结构跨尺度精细建模与多模式失效机理
复合材料多层结构跨尺度精细建模与多模式失效机理
复合材料的多层结构在跨尺度精细建模方面需要考虑多个层次的结构特性和失效机制。
在建模过程中，可以采用多层模型和多尺度方法来描述不同尺度的结构特性。
例如，可以使用宏观本构模型来描述整体结构的力学行为，通过各向同性或各向异性的弹性模型来描述材料的力学性质。
对于复合材料的多层结构，常常存在不同尺度下的失效机制。
在微观尺度下，可以考虑纤维和基质相互作用、界面损伤等因素对材料性能的影响。
在宏观尺度下，可以考虑整体结构的弯曲、剪切、拉伸等载荷作用下的失效机制。
在多模式失效机理方面，复合材料的失效可以表现为多种模式，如纤维断裂、基质损伤、层间剥离、界面失效等。
这些不同的失效模式可以通过适当的损伤模型来描述，以便更好地预测和分析复合材料的失效行为。
综上所述，复合材料多层结构的跨尺度精细建模和多模式失效机理分析是复合材料研究中重要的课题，可以帮助理解和优化复合材料的性能和设计。
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Nonlinear Multi-Scale Forecasting Platform of Composite Material
and Structure
业基科技股份有限公司
业基科技股份有限公司（HonliTech）专注于制造业全流程的平台服务，产品线以CAE软件为主。
同时以满足不同客户的个性化需求为主旨，可提供相应的软件和教育培训，及更为人性化的客户服务。
除了一流的软件咨询服务以外，公司还引进国外的先进专利技术，为客户提供硬件设计和制造。
DIGIMAT软件是非线性多尺度材料和结构预测平台，通过与主要的有限元分析软件之间友好的界面，为多尺度材料和结构模拟提供了综合而有效的方法。
它能满足优化设计新款材料和结构的需要，同时减少生产成本以及相关的开发时间，开发出极佳的新款复合材料和结构。
DIGIMAT可为客户提供一整套预测解决方案，能满足客户的特定需要并综合考虑了现有设计工艺，包括原材料的复合（例如工程塑料、橡胶和碳纤维增强塑料CFRP等）以及制成品的加工工艺（例如注塑成型）和应用。
通过和欧洲、美国以及日本超过50家大型客户的合作，对于各种用于汽车、航空、消费品和工业设备行业材料（例如增强塑料、橡胶、硬质金属以及多孔层合板）的应用实践，拥有了专家级的数值模拟和预测分析能力。
基于平均场均化理论用于预测复合材料的非线性本构行为模块，其主要特征如下：
Digimat-MF是DIGIMAT的平均场均化模块，它能把局部材料特性定义为以下2项的材料特性的函数：基体相和纤维相；复合材料微观结构形态（纤维的重量、外形和尺寸）。
用户可以按树形数据结构的指引，输入复相的材料特性、微观结构描述以及用于多相复合材料的载荷参数数据。
Digimat-FE是一种复合材料均化分析模块，它的理论基础是复合材料微观结构的代表性体积单元(RVE)的非线性有限元模拟法，其主要特征如下：
Digimat-FE用于生成各种材料微观结构（塑料、橡胶、金属和石墨等）的RVE。
Digimat-FE能描绘出复合物的微观结构及其组成部分的物质特性，并生成复合物RVE的FE模型。
Digimat-FE使用Abaqus/CAE 生成RVE网格和实际有限元模型，然后用Abaqus/Standard进行求
非线性多尺度复合材料和
结构预测平台
解。
后处理通过Abaqus/CAE和
DIGIMAT完成。
多相复合材料微观结构包括：回
转椭球体、薄层片晶、椭圆体、圆柱体、
棱柱体、多面体（即二十面体，由20个
面组成）以及几何文件所定义的其他
形状的物体。
组成成分的材料特性包括：弹
性、热弹性、粘弹性、超弹性和弹塑性。
纤维相组分特性包括：体积或质
量含量、纤维的尺寸或用于生成RVE
的纤维数量、尺度分布、取向张量所
确定的固定方向、随机方向或方位以
及集束和涂层。
DIGIMAT的工作流程如下：
提供基于应变或混合力（应变/应
力）的载荷定义；以STEP、IGES和
BREP格式输出RVE的几何形状；
把RVE几何形状和模型定义输出
给Abaqus/CAE；把几何形状输出给
ANSYS Workbench。
ABAQUS/CAE的界面允许下
列处理模式：
自动输入RVE几何形状、每相
材料特性以及边界条件；自动划分网
格和任务递交；对每相场变量（应力
和应变等）进行后处理。
（责编侧卫）
106航空制造技术·2009年第21 期。