[论文解读] RVE Analysis in LS-DYNA for High-fidelity Multiscale Material Modeling

Haoyan Wei, Dandan Lyu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2022

Composite Material Mechanics被引用 4

一句话总结

本文介绍了LS-DYNA中新增的RVE_ANALYSIS_FEM模块，该模块通过在微观尺度上模拟代表性体积元（RVE），实现高保真度、用户自定义的多尺度材料建模，从而计算均质化的宏观材料性能。该方法通过解析纤维、夹杂物和界面等微观结构特征，显著提升了多尺度结构分析的保真度，能够对复合材料和金属合金等非均质材料实现精确的虚拟测试。

ABSTRACT

In modern engineering designs, advanced materials (e.g., fiber/particle-reinforced polymers, metallic alloys, laminar composites, etc.) are widely used, where microscale heterogeneities such as grains, inclusions, voids, micro-cracks, and interfaces significantly affect the macroscopic constitutive behaviors. Obviously, an accurate description of the multiscale material behaviors is of great importance to the success of material design and structural analysis. The Representative Volume Element (RVE) analysis method provides a rigorous means to obtain homogenized macroscopic material properties at the upper length scale from the properties of the material constituents and structures at a lower length scale. Recently, we have developed an RVE module (keyword: *RVE_ANALYSIS_FEM) in the multiphysics simulation software LS-DYNA to enable high-fidelity virtual testing of numerically re-constructed material samples at user-specified characteristic length scales. In this article, a brief introduction to this new feature will be given.

研究动机与目标

• 实现对具有晶粒、夹杂物和孔隙等微观异质性的先进工程材料的多尺度行为的精确均质化。
• 在LS-DYNA中开发一个稳健的计算框架，用于在用户指定的特征长度尺度下对数值重构的微观结构进行虚拟测试。
• 通过严格的RVE基均质化方法，弥合微观材料组分与宏观结构响应之间的差距。
• 通过解析复杂的微观结构相互作用，支持对纤维增强聚合物、金属合金和层压复合材料的高保真度仿真。

提出的方法

• 在LS-DYNA有限元求解器中实现专用的RVE_ANALYSIS_FEM模块，用于多尺度材料分析。
• 使用用户自定义的代表性体积元（RVE）来模拟纤维、颗粒和界面等微观异质性。
• 应用计算均质化技术，从微观尺度仿真中推导出有效的宏观本构行为。
• 在特征长度尺度上对材料微观结构进行数值重构，以反映真实材料的微观构型。
• 集成适用于周期性和非周期性RVE的边界条件和加载方案，以确保均质化结果的准确性。
• 利用LS-DYNA的多物理场能力，在微观尺度上模拟各种热机械加载条件下的力学响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在商业有限元软件LS-DYNA中实现对非均质材料的高保真度虚拟测试？
• RQ2 RVE_ANALYSIS_FEM模块在捕捉微观结构特征对宏观材料行为影响方面的有效性如何？
• RQ3 用户指定的特征长度尺度如何影响均质化材料性能的精度和收敛性？
• RQ4 LS-DYNA中的RVE方法能否可靠预测复杂复合材料和金属合金的有效本构响应？

主要发现

• RVE_ANALYSIS_FEM模块成功实现了在LS-DYNA中对微观结构的高保真度虚拟测试，支持对均质化宏观材料行为的精确预测。
• 该方法有效捕捉了纤维、夹杂物和界面等微观特征对非均质材料整体力学响应的影响。
• 该框架支持用户自定义的特征长度尺度，实现了在不同材料系统中的一致且可扩展的多尺度建模。
• 将RVE分析集成到LS-DYNA中，为工程师和研究人员提供了一个稳健且易用的工具，可直接进行虚拟材料测试，无需依赖外部预处理或后处理工具。