中仿Simpleware材料科学研究建模与数值分析解决方案

一、 概述

随着社会的进步和工业的发展，人类对产品的质量、性能要求越来越高。而提高产品的质量与性能，就必需充分地了解并应用材料的特性。因此，材料研究的重要性也就不言而喻。材料研究一般分为两个方面：一是微观结构的研究；二是宏观特性的研究。两方面并非相互独立，而是相辅相成。材料微观结构往往对宏观特性起到决定性的作用，而宏观特性也会反映出材料的微观结构。

现代工业，对于材料的综合性能要求越来越高。传统的简单的材料显然那已不能满足需求，对各种综合性能优良的复合材料需求越来越大，所以复合材料的研究也越来越重要。

二、 材料研究的问题和需求

随着科学技术的发展，材料研究的方法越来越完善。化学分析、热分析、元素分析、光谱分析、色谱分析等方法可以较为透彻地分析材料微观组织结构。拉伸测试、冲击测试、硬度测试、腐蚀测试、疲劳测试等方法可以对材料性能进行有效的评估。

微观分析的问题

• 扫描仪、电子显微镜等工具输出图像简单，普遍还是二维图像。
• 若要有效地分析计算，对研究人员的专业知识及经验要求较高。
• 手动测量计算误差较大。

图2.1扫描电镜

图2.2扫描电镜输出二维图像

图2.3扫描电镜手动测量颗粒直径

扫描电镜微观图像抽象，需要研究者很强的专业知识和经验。测量过程为手动，误差比较大。

材料性能测试的问题

• 操作偶然性对测试结果影响大。
• 测试受环境影响。
• 对样品具有破坏性且需多次测试，样品需求量大，浪费资源。

图2.4拉伸强度测试试验机

图2.5样品拉伸试验

对于拉伸试验来说，操作过程对实验结果影响巨大，例如装夹样品时样品是否垂直，测试结果就差别巨大。并且一种材料需要多次测试取平均结果。

当今材料研究的需求

• 简单化、自动 化＞ 图像简单、真实，分析计算自动化。
• 高效、环保＞减少外部因素影响，节省材料、成本。

三、材料研究数字建模及数值仿真计算全球高端解决方案Simpleware

基于影像技术和计算机技术的飞速发展，通过基于对材料扫描图像建模并结合有限元分析的方法进行可视化分析研究和仿真模拟测试，上述材料研究的各种问题及需求可以得到完美解决。给大家推荐中仿Simpleware软件，它致力于为CAD、CAE以及3D打印领域提供世界领先的三维图像处理、分析以及建模和服务，已在世界范围内被业界广泛采用。2015年5月中仿科技应邀参加北京大学3D图像数字建模与有限元分析软件Simpleware数值仿真技术专题研讨会，详细介绍Simpleware软件，并就Simpleware在相关领域的应用做详细介绍及案例操作，并得到了与会人员一致的认可。

Simpleware 软件具有扫描图像三维处理功能，其强大而精确的建模功能将材料扫描图像转换为逼真的三维模型，用于材料微观结构的三维立体可视化，利用其物理模块进行准确分析计算，利用其CAD模块和网格生成模块进行建模，可用于进一步仿真模拟测试。

（一）软件相关模块简介

Simpleware软件帮助您全面处理3D图像数据（MRI，CT，显微CT，FIB-SEM……），并导出适用于CAD、CAE、以及3D印刷的模型。使用图像处理模块（ScanIP）对数据进行可视化，分析，量化和处理，并输出模型或网格。

利用有限元模块（+FE Module）生成CAE网格；利用全新的物理模块：固体力学模块（+SOLID Module）、流体分析模块（+FLOW Module）以及多学科分析模块（+LAPLACE Module），通过均质化技术计算扫描样品的有效材料属性。

图3-1.1 simpleware建模流程

Simpleware软件基于核心的图像处理平台——ScanIP，结合可选模块，实现FE/CFD网格生成、CAD一体化以及有效材料属性的计算。

Simpleware三维图像建模软件的主要模块如下：

• ScanIP Software:   核心图像处理平台
• +FE Module:    网格生成模块
• +NURBS：           曲面建模模块
• +CAD Module:   CAD 模块
• Physics Modules：  物理模块
• +SOLID Module：  结构力学模块
• +FLOW Module：  流体分析模块
• +LAPLACE Module：  多学科分析模块

1、核心图像处理平台ScanIP

ScanIP为3D图像数据的图像可视化、测量和处理工具提供了宽泛的选择。处理后的图像可导出为STL或点云文件，应用于CAD分析、求解、和3D打印领域。

ScanIP为3D图像数据（MIR，CT，micro-CT，FIB-SEM…）的综合处理提供了软件环境。软件为用户提供了功能强大的数据可视化、分析、分割、以及量化工具。

ScanIP易于学习和使用，内置视频录制功能，并能基于处理后的数据导出可用于CAD或3D打印的曲面模型/网格。附加模块可用于通过扫描数据导出CAE网格、整合图像数据、建模、导出NURBS曲面、计算有效材料属性的功能。

 优势

• 直观的用户界面

        易学易用

• 生成高质量的多部分STL和曲面模型

        无需手动修正或重剖网格

• 脚本

         自动执行可重复的任务及操作

• 直接进行图像到曲面的转换，曲面输出及可视化

         准确、高质量地重构数据

图3-1.2 复合材料扫描图像的可视化和分析

● 重要特征

• 支持导入多种文件格式
• 提供具有多个2D/3D视角的可定制化工作区
• 背景图像及蒙片的立体渲染
• 动画录制和视频文件导出
• 综合测量和统计工具
• 功能强大的半自动分割工具
• 确保多部分面网格/STL的一致性

2、网格生成模块+FE

Simpleware +FE模块具有强大的基于图像的网格剖分能力，提供高质量解决方案，将分割后的3D图像数据转换为多部分的体积网格，导出并应用于有限元（FE）或计算流体力学（CFD）软件包。

生成的网格具有一致的接口和共享节点，可指定材料属性、定义接触、节点集和壳单元，并定义CFD边界条件，通过减少在其他软件重划网格的步骤加快用户的工作流程。

• 优势
• 自动、高效、快速

        几分钟即可完成从图像分割到分析模型的生成

• 一般的个人电脑”进行处理生成复杂的网格

        完成复杂模型不依赖于高性能计算机

• 仅取决于图像质量的拓扑/形态学精确度

        分割与平滑图像过程中保持图像精度不变

• FEA和CFD网格一致，尤其适用于流固耦合分析

        强大的多部分模型避免间隙和重叠

图3-1.3 基于特征的网格细化     图3-1.4 材料网格模型

● 重要特征

• 可基于任意形状的复杂几何体生成网格
• 用户可选择基本网格或自由网格
• 根据图像信号强度分配材料属性
• 具有拓扑保留和体保留的光滑算法
• 可对感兴趣的多结构/区域进行网格划分
• 可保证接触的表面/界面的一致性
• 生成用户自定义的自适应网格

3、URBS曲面建模模块

+NURBS曲面建模模块提供了，一种从图像到CAD数据转换的一种途径，通过创建NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）模型。

该集成模块运用自动拟合和表面生成技术，将ROI（regions of interest）感兴趣区域，转换为 NURBS IGES 文件，转换后可导入至 CAD 软件中。

● 优势

• 完全自动化补片拟合NURBS模型

        只需几分钟即可完成图像到CAD模型的转换

• 高精度保留几何及拓扑结构

         从分割到模型保存无特征损失

• 控制补片布局和控制点

         蕞优化补片布局根据原始几何形状

图3-1.5 自动拟合NURBS曲面  图3-1.6   NURBS曲面模型实例

● 重要特征

• +NURBS模块可以完全集成于ScanIP
• 从图像到CAD数据的转换
• NURBS IGES 文件，可导入至 CAD 软件中

4、CAD模块

+CAD模块与与 ScanIP 模块紧密结合，为CAD模型与三维图像的融合提供一系列的工具。所获得的几何模型能够输出为众多CAD文件格式模型，或者利用+FE模块自动生成众多有限元网格。在32位或64位Windows平台支持多处理器进行CAD建模。

• 优势
• 轻松组合图像与CAD数据

        避免在CAD环境中用到图像

• 为组合图像和CAD数据准确生成网格

        ScanIP 和 +FE 模块强大的网格算法

• 为外科手术可变性效应简化多网格的生成

        快速，可重复，精确

• 设计外科手术指南和范本，阐述支架/微架构

         完美重现真实场景

图3-1.7材料样本内部结构

●重要特征

• 将大部分常见CAD文件格式直接导入到三维图像
• 根据用户定义提供二维/三维视图
• 利用实时交互式输入和键盘输入进行定位
• 沿着用户定义的矢量进行限定性运动定位
• 重采样的几何保留
• 生成CAD为图元的模板生成内部微小结构
• 以STL形式导出组合模型或导入ScanIP 做进一步体网格划分

5、物理模块

物理模块包括结构力学模块（+SOLID Module）、流体分析模块（+FLOW Module）、以及多学科分析模块（+LAPLACE Module）。物理模块的主要功能如下：

●  优势

• 稳定而有效的均质化方法

        复合材料的简化分析

• 基于3D扫描的高效仿真分析

        在ScanIP中快速计算有效属性

• 在多种预定义边界条件中进行选择

        基于标准设计进行分析，节约时间

• 高质量数据可视化及动画功能

        与同事分享和探讨仿真结果

• 脚本

        自动重复任务和操作

图3-1.8 多孔材料样品绝对渗透率张量、有效 的导电性、透气性、导热性和分子扩散

●  重要特征

• 计算有效弹塑性特性（结构模块）、绝对渗透率（流体模块）、电导率和介电常数、导热系数和分子扩散系数（拉普拉斯模块）
• 可在完整的基于有限元的均质化方法和快速半解析法之间进行选择（仅适用于结构模块和拉普拉斯模块）
• 自动计算蕞适合的各向同性（所有物理模块）、正交各向异性（结构模块）、以及单轴（流体模块和拉普拉斯模块）近似值，以及算有效张量
• 自动测定模型主轴方向
• 计算结果可导出为text或VTK格式文件

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