RVE多尺度模拟方法-相关资料
本文摘要(由AI生成):
本文讨论了代表体积元(RVE)技术在异质材料建模中的应用,并综述了最新的研究进展。文章介绍了RVE方法的分类和最新软件工具,展示了RVE技术在多个领域的广泛应用。同时,文章还详细介绍了ANSYS、Abaqus和Altair等主流CAE软件中RVE功能的实现,特别是Altair的Multiscale Designer被认为功能最强大。
“ RVE代表体积元,可用于模拟多尺度结构的宏观-微观响应。”
这是一篇学习笔记。
RVE是Representative Volume Element的简称,翻译成中文即“代表体积元”。常用于多尺度建模及有限元仿真当中。笔者也是第一次接触这个领域,之前只是在各种论文、功能宣传介绍中多次看到过RVE方法。(以RVE为关键词搜索SCI论文,结果实在是太多了)。
其实这些和之前的文章一样,都和我的研究方向没什么关系。我想要学习它仅出于兴趣。毕竟多尺度模型也算是近些年里力学界最热门的方向之一,像是短纤维增强复合材料啦、负泊松比超材料啦、晶格拓扑优化啦……都和多尺度模型及RVE方法有关系。
这篇文章,我们一起来简单了解一下RVE。就从有哪些相关教材和学习资料开始。
Zienkiewicz教材 - The Finite Element Method
虽然我的习惯是直接从各软件的帮助文档中学习,但RVE这个功能,我还真在教材中看到过。辛克维奇的三册有限单元法第六版,第二卷第18章,标题就是Multiscale Modelling,多尺度建模。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374685527_nu66as.jpg?imageView2/0)
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虽然这本书第七版我是买了纸质书的,似乎记得第七版里面章节标题改了。但还是PDF电子书划词翻译读着比较舒服。
对于一个比较新、而且仍在蓬勃发展的技术领域,经典的教材乃至商业软件很难及时跟踪最新的研究进展。如果想要在这个领域开展研究的话,就需要阅读一篇至几篇比较全面的综述论文。关于代表体积元这个领域,相关的综述文章并不难找。比如一篇2018年发表在 Progress in Materials Science 上的文章:Generation of 3D representative volume elements for heterogeneous materials: A review![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374703540_90dpy6.jpg?imageView2/0)
全文PDF共63页,引述了568篇参考文献——这个工作量是真的不小。这篇文章综述了用于异质材料建模的,当前最先进的(state of the art)RVE方法。文章中将异质固体分为多孔和非多孔介质,又将相应的生成方法分为三类:i) 通过实验方法,表征并重建微观结构;ii) 基于物理的方法,描述微结构的形成和演变;iii) 基于几何,仅专注于模拟微结构形态的方法。文章中还总结了相关的最新软件工具,包括商业软件和开源软件。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374701581_506mc7.jpg?imageView2/0)
可以看到,从晶格结构,到纤维或粒子增强结构,再到含空腔的材料,编织复合材料和生物材料等,RVE技术可以仿真的领域非常丰富。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374688127_hpgelt.jpg?imageView2/0)
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基于代表体积元方法的多尺度仿真功能,近些年在各大主流CAE软件中都有实现。这里把几种仿真软件的实现单独列出。ANSYS软件中,近些年发展了一个专门的模块叫Material Designer。这个模块基于SpaceClaim开发,界面大概是这个样子:![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374687174_e4du4a.jpg?imageView2/0)
在Workbench环境下,组件系统Component Systems中,可以看到Material Designer:
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简单来说,这个模块就是用于建立多尺度模型中细观尺度的几何模型,然后将其等效为宏观各向异性的均值材料,计算出相应的等效材料参数。
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这部分的文档也比较全面。包括四个章节:入门介绍、功能特征、理论文档、最佳实践。其中第一章节里还有一些教程Tutorial。
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Workbench环境下,Material Designer的基本工作流是这样的:![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1651374707716_n175mo.jpg?imageView2/0)
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除了Material Designer文档页面,在ANSYS文档的Composites复合材料目录下,还有一个新增的短纤维增强复合材料,这里也包含一些Material Designer的功能。许多还是Beta版。
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在Abaqus文档中,RVE功能相关章节内容比较少。笔者主要在Abaqus-Materials材料卷中,找到了Multiscale Properties这一节里面有相关描述。
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这一页的Multiscale Material Modeling,以及下一页的Mean-field homogenization,讲述了如何在Abaqus中实现RVE建模。相关帮助页面的参考文献,最新到2011年。对于一款商业软件的功能来说,还算比较与时俱进的。
从我的第一观感来说,Abaqus在RVE相关功能上其实比ANSYS和后面提到的Altair差了很多。但与软件功能实现相反的是,似乎有大量研究论文都是用的Abaqus来做RVE分析。笔者才疏学浅,不太清楚Abaqus具体是有什么优势。我能想到的可能就只有方便使用Python脚本建立随机胞元模型了。05—Altair实现-Multiscale Designer
Altair公司在最近版本的软件中,也推出了一个多尺度建模仿真工具-Multiscale Designer。单从文档的介绍来看,这个工具似乎是我了解的几款商业软件中功能最强大的。
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比如,据说Multiscale Designer在多尺度建模上,提供了包括自家OptiStruct、RADIOSS以及第三方Abaqus、ANSYS、LS-DYNA、Nastran等求解器在内的 自定义材料接口。也就是说,它可以为Abaqus这样的第三方求解器生成用户自定义材料。这功能还是有点意思的。
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官网上对这个模块的介绍:
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