MIDAS-VT-Pre: 有限元模型生成颗粒/纤维复合材料二维结构的软件

软件X 10（2019）100292原始软件出版物MIDAS-VT-Pre：生成含粘结区的颗粒/纤维嵌入复合材料二维有限元模型的软件Keyvan Zare-RamiKim，Yong-Rak Kim内布拉斯加大学林肯分校土木工程系，林肯，NE 68503，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年收到修订版2019年5月28日接受2019年保留字：颗粒/纤维嵌入复合材料微观结构内聚区虚拟测试有限元建模a b st ra ct研究颗粒/纤维复合材料的力学行为一直是材料力学领域的一个普遍而又具有挑战性的问题。可以有效地进行这些材料的分析通过计算模拟，例如有限元（FE）分析。创建一个代表复合材料实际微观结构的模型对于获得可信的结果至关重要，但通常是劳动密集型的。为方便构建颗粒/纤维复合材料二维细观有限元模型，开发了细观非弹性损伤分析软件（MIDAS）虚拟试验机前处理器（MIDAS-VT-Pre）MIDAS-VT-Pre能够在网格结构中自动插入粘结区界面单元，以模拟裂纹的萌生和扩展。该程序是专门为生成在实验室环境中经常使用的标准机械测试配置的有限元模型而定制的。该程序的输出包括网格结构和边界条件。该信息可用于使用通用FE软件（如ABAQUS）运行FE模拟（即虚拟测试）。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_270法律代码许可证GNU General Public License v3.0使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务MATLAB编译要求、操作环境依赖性Microsoft Windows如果有开发人员文档/手册链接，请访问https://github.com/K1-ZR/midas-vt-pre/blob/master/documents/MIDAS-VT-User问题支持电子邮件keyvan. gmail.com软件元数据当前软件版本v1.0.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/K1-ZR/midas-vt-pre/releases/tag/v0.1.2法律软件许可证GNU通用公共许可证v3.0计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖关系MATLAB 10.5如果可用，链接到用户https://github.com/K1-ZR/midas-vt-pre/blob/master/documents/MIDAS-VT-用户指南. pdf问题支持电子邮件keyvan. gmail.com*通讯作者。电子邮件地址：keyvan. huskers.unl.edu（K.Zare-Rami），yong-rak.kim @ unl.edu（Y.R. Kim）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1002921. 动机和意义材料科学力学的很大一部分通常涉及非均质材料行为的研究。2352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2K. Zare-Rami和Y.- R. Kim / SoftwareX 10（2019）100292非均质材料的整体性能取决于其微观结构及其组分的性能[1，2]。准确分析非均质材料建立一个完全代表实际微观结构特征的有限元对文献中复合材料建模方法的回顾表明，简化的颗粒几何形状（如圆形和椭圆形）通常用于近似复合材料的实际微观结构[3这种方法在某些情况下可能是合理的，但当颗粒具有不规则形状和随机分布时，它无法捕获复合材料的准确行为。在最近的研究中，微结构图像已被广泛使用建立精确的非均质材料微观结构有限元模型[7幸运的是，存在各种成像技术，例如光学成像、光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），其允许以不同长度尺度捕获材料的微观结构。MIDAS-VT-Pre旨在帮助直接从给定的微观结构图像生成颗粒/纤维嵌入复合材料的二维有限元网格，而不会丢失重要的形态细节。此外，材料力学领域也有相当多的研究对材料裂纹的模拟进行了研究。在众多模拟开裂的方法中，内聚区模型（CZM）是最流行的方法之一，可以有效地模拟材料脱粘[14，18该方法假定裂纹尖端前方存在一个虚拟的断裂过程区，该断裂过程区遵循软化行为。断裂过程区采用内聚界面单元模拟。界面单元连接两个相邻连续体单元之间共享的两个节点。用界面单元的分离-牵引关系模拟了软聚区的软化行为。内聚区界面单元是CZM模拟潜在脱粘的核心部分虽然有许多应用程序可以生成给定几何形状的连续体有限元网格，但据作者所知，可用于生成具有粘结区界面单元的有限元网格的软件非常有限。因此，MIDAS-VT-Pre具有在有限元网格结构中嵌入内聚区界面单元的功能，用于模拟潜在的裂纹扩展。MIDAS-VT-Pre的主要目标是生成颗粒/纤维嵌入复合材料常用力学试验的有限元模型。这些FE模型模拟可与实验室测试一起使用，以更好地选择组件材料，从而更好地设计复合材料。它也可以作为重复实验室测试的替代品2. 软件描述MIDAS-VT-Pre是一个用户友好的软件，开发用于从给定的复合材料微观结构生成任何颗粒/纤维嵌入复合材料的二维有限元模型。当前版本适用于由不同颗粒和连续基体相组成的两相颗粒复合材料。为了有一个简单的过程，MIDAS-VT-Pre是定制的，以生成特定测试设置的FE模型。的示意图可用的测试如图所示。1.一、MIDAS-VT-Pre生成有限元模型所需的唯一信息MIDAS-VT-Pre使用样本的尺寸和显微结构图像，无论是物理扫描还是人工虚拟制造的样本作为输入。它使用图像处理模块识别复合材料的微观结构。 然后，该软件网格化的微观结构的几何形状和分类Fig. 1. 测试配置。单独的阶段，以获得适当的材料性能。初始有限元网格只包含三节点体元，没有内聚区界面元。如果希望嵌入内聚区元素，则用户可以定义用于定位内聚区元素的区域，以便可以有效地模拟开裂（引发和扩展）。MIDAS-VT-Pre的输出是用户所追求的某些实验室测试网格数据包含三节点体单元和四节点内聚区界面单元的节点坐标和单元连通性。输出可用于任何常见的FE软件（例如：ABAQUS）和MIDAS-VT（作者开发的独立软件，用于运行FE模型并进行模拟后处理）[21]。MIDAS-VT-Pre还能够创建上述实验室测试的均质（单相）FE模型，在用户定义的区域内嵌入或不嵌入内聚2.1. 软件构架MIDAS-VT-Pre的总体流程如图所示。二、MIDAS-VT-Pre提供两个选项来生成FE模型。第一个选项（情况I）在用户从样品的几何形状生成FE模型时很有用形状和显微结构图像。在这种情况下，MIDAS-VT-Pre从微观结构图像中区分不同的相，并相应地网格化生成的几何形状。初始FE网格仅包括三节点体元。网格划分完成后，界面单元嵌入到用户定义的CZ区域内以模拟开裂。第二种选择（情况II）用于当用户只对在一个规则的有限元结构中插入内聚区元素感K. Zare-Rami和Y.- R. Kim / SoftwareX 10（2019）1002923图二. MIDAS-VT-前流程图。3. 软件功能MIDAS-VT-Pre自动生成样品的二维有限元模型，无论是均匀的还是非均匀的颗粒/纤维，以模拟样品在几种不同测试条件下的力学行为（如图1所示）。首先，它使用图像处理功能处理复合材料的复杂微观结构，然后对具有或不具有内聚区界面元素的样品进行网格化。这两个步骤详细解释如下。3.1. 图像处理MIDAS-VT-Pre配备了图像处理模块，可识别样品的微观结构几何形状。该模块使用MATLAB [22]的图像处理工具彩色分割方法要求每个相位用不同的颜色强度表示当前版本的MIDAS-VT-Pre能够处理两相介质，其在连续基质相中包括不同的不均匀性。获得颗粒/纤维嵌入复合材料的精确2D微观结构的步骤如图所示。3 .第三章。该程序区分异质性从背景矩阵的基础上在他们的颜色强度的差异在图像处理模块中，假设粒子比背景亮，如图所示。第3（a）段。 图图3（b）示出了所得的二进制图像，其中白色物体表示颗粒，而周围的基质相呈现为黑色背景。 在下一步中，粒子的边界像素被转换成矢量格式，以多边形的形式描述每个粒子的几何形状（图10）。3（c））。由此产生的几何形状由具有大量顶点的多边形组成因此，程序删除每个多边形的不必要的顶点，以便用更少的4K. Zare-Rami和Y.- R. Kim / SoftwareX 10（2019）100292==+=：：=：=：∈=+顶点，同时保留显著的几何特征（图3（d））。图像分析模块根据由图像的像素限定的坐标系来限定微结构。因此，在网格化几何结构之前，需要将初步的微观结构从像素坐标缩放到样品的实际尺寸。3.2. 内聚区界面单元插入MIDAS-VT-预网格化模块带有自动界面元素插入功能。如前所述，内聚区单元是四节点界面单元，允许在有限元框架内模拟裂纹萌生和扩展它们是零厚度单元，将相邻块体单元的节点对连接起来，这些节点共享相同的位置。内聚界面元素的插入过程如图所示。四、该示例假设右侧的两个体元件在该方法中，在开裂区域内（元件1和2之间）以及沿着开裂区域的边界（元件2和3之间）添加界面元件。算法1描述了用于插入接口元素的伪代码。为了能够将界面单元添加到现有的网格结构中，首先以单元不共享任何节点的方式复制开裂区域内的节点。因此，与常规FE网格不同，多个节点可能具有相同的坐标（图10）。4（b））。一旦生成新节点，则相应地更新元素连接矩阵。然后用重叠边的节点在相邻的块体单元之间定义内聚界面单元，如图1所示。4（c）和算法1第10行至20.由于节点重复改变了节点编号顺序，因此使用反向算法1在体元素之间嵌入界面元素。该算法在AddCohEl函数中实现复制节点并更新元素连接1：对于i1大量的元素做2：如果元件i开裂区，则3：forj1 3do循环遍历元素的节点4：Ne_w_Node（c，13）OldNode（OldConn（i，j），13）5：NewConn（i，j）c更新元素连接矩阵6：c c17：结束8：如果结束9：结束定义界面元素第十章： 对于i = 1：体元件的数量11：如果元素i∈开裂区，则12：对于j=1：3，在元素的边缘上执行循环13：k←相邻元素数14：m←重叠边的第一个节点图三. 生成异质复合材料的2D微观结构的步骤。4. 说明性示例本节中给出了一个说明性示例，以演示如何使用MIDAS-VT-Pre生成测试配置的FE模型。如图5、半圆弯曲（SCB）试验的FE模型由试样图像生成。为了创建有限元模型，MIDAS-VT-Pre要求用户输入试样的尺寸，包括切口尺寸和用户定义的用于嵌入粘结区界面元素的开裂区域。例如，如图。如图5（b）所示，缺口上方的矩形区域被定义为潜在开裂区域。该方法避免了增加不必要的内聚区界面单元，减少了计算量.如果该模型需要预测/表示整个区域的潜在开裂，则可以继续进行。定义后试样尺寸，用户可以带来试样的微观结构图像进行微观结构有限元模拟。然后，MIDAS-VT-Pre识别粒子的周长和试样几何形状，以创建最终的几何形状。确认几何精度后，用户可以开始网格化。该软件还允许用户使用最大网格尺寸参数调整全局元素尺寸。如果需要的话，然后可以在该步骤添加内聚区界面元件。网格划分完成后，MIDAS-VT-Pre自动识别边界条件。然后，15：n←重叠边的第二个节点：导出为可用于标准FE软件的文本文件十六日：n）NeCohConn（c，1 ：4）=[NewConn（i，mwConn（k，m：n）]如ABAQUS。该模型通过添加适当的17：c c 118：结束19：如果结束20：结束各个阶段的材料特性。SCB模拟的结果在图中举例说明。5（c）.读者可以参考MIDAS-VT-Pre用户K. Zare-Rami和Y.- R. Kim / SoftwareX 10（2019）1002925见图4。 在体元素之间嵌入内聚区元素。5. 影响MIDAS-VT-Pre有助于对因裂纹萌生和扩展而遭受断裂损伤的非均质材料进行有限元虚拟测试将模拟结果与实验结果进行比较，可以通过减少进行重复实验室测试的成本和时间，帮助以更有效的方式设计异质材料[14]。此外，在研究微观结构对整体性能的影响时，为各种微观结构创建有限元模型的容易性非常有帮助复合材料[25]。这种做法也是有用的，在确定复合材料结构的代表性体积元素（RVE）进行微机械和/或多尺度方法时。复合材料的有效性能可以通过在各种加载方案下进行RVE分析来轻松获得[15]。MIDAS-VT-Pre作为一个支持工具可以极大地帮助这些人。6. 结论MIDAS-VT-Pre的开发旨在轻松准确地创建颗粒/纤维嵌入复合材料中测试样本的FE模型，其中裂纹可能发生在基质相内和沿两相边界。该软件以用户友好的形式界面配备了图像处理模块，用于检测微观结构特征，并配备了FE网格划分模块，用于为用户定义的潜在开裂区域嵌入优化的内聚界面元素。MIDAS-VT-Pre输出与通用有限元软件（如ABAQUS和MIDAS-VT）完全兼容，后者是作者开发的独立软件，用于对呈现非线性粘弹性断裂的材料进行更具目标导向性的模拟[21]。源代码和独立版本MIDAS-VT-Pre可在网上查阅[24]。作者欢迎其他研究人员竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认我们感谢美国国家科学基金会（批准号CMMI- 1635055）对本研究的财政支持。6K. Zare-Rami和Y.- R. Kim / SoftwareX 10（2019）100292图五、利用MIDAS-VT-Pre生成半圆形弯曲模型。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.100292上找到。引用[1]Nemat-Nasser S ， Hori M. 微 观 力 学 ： 异 质 材 料 的 整 体 性 能 ， 卷 。 37 ，Elsevier，2013.[2]哈辛Z非均匀材料的弹性模量。J Appl Mech1962;29（1）：143-50.[3]作者声明：JG.含复合夹杂物材料的弹性模量：有效介质理论和有限元计算。Mech Mater2001;33（8）：455-70.[4]Wriggers P，Moftah S.混凝土的细观模型：均匀化和损伤行为。有限元素分析2006;42（7）：623-36。[5]杨文斌，杨文斌，杨文斌.颗粒增强弹粘塑性复合材料的细观力学：有限元模拟与仿射均匀化。Int J Plast2007;23（6）：1041-60.[6]黄志成，普拉马尼克A，巴沙克A.金属基复合材料冷却后残余应力的产生。Mater Sci Technol 2018;1[7]Gokhale AM，Yang S.图像处理在工程合金多尺度显微组织力学响应模拟中的应用。Metall Mater Trans A 1999;30（9）：2369-81. http://dx.doi.org/10的网站。1007/s11661-999-0245-z.[8]陈S，陈伟，陈伟.数字图像处理在岩土材料有限元建模中的应用。计算机地球技 术 2003;30 （ 5 ） ： 375-97. http://dx.doi 的 网 站 。 org/10.1016/S0266-352X（03）00015-6，URLhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266352X03000156.[9]Ayyar A，Chawla N.颗粒增强复合材料裂纹扩展的微观结构模拟。ComposSci Technol 2006;66（13）：198094.http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.01.007 ， URLhttp ：//www. sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353806000261网站。[10] Singh H，Mao Y，Sreeranganathan A，Gokhale AM.数字图像处理在计算机模拟非均质微观结构中实现复杂真实颗粒形状/形态的应用。建模仿真材 料 科 学 工 程 2006;14 （ 3 ） ： 351 ， URLhttp ： stacks.iop.org/0965-0393/14/i=3/a=002.[11]Kim Y-R，Allen DH，Seidel GD.弹性-粘弹性随机取向颗粒复合材料的损伤诱导建模。J Eng Mater Technol2006;128（1）：18-27.[12]Mehrmashhadi J，Tang Y，Zhao X，Xu Z，Pan J，Van Le Q，Bobaru F.焊点微观结构对跌落试验失效的影响：周向分析。IEEE Trans Compon PackagManuf Technol 2018.[13]Bozorgzad A，Kazemi S-F，Nejad FM.沥青混合料的蒸发引起的水分损害：微尺度模型和实验室验证。ConstrBuild Mater2018;171：697-707.[14]Rami KZ，Amelian S，Kim Y-R，You T，Little DN.以二维微结构模拟黏弹性沥青混合料之三维黏弹性相关行为。工程机械2017;182：86-99。[15][10]李文龙，李文龙，李文龙.结合纳米力学测试和粘结区断裂的双向链接多尺度方法来模拟高度非均匀的粘结材料。 JEng Mech2018;144（10）：04018095.[16]Chawla N，Sidhu R，Ganesh V.颗粒增强复合材料变形的三维可视化和基于微观结构的建模。材料学报2006;54（6）：1541-8。[17]张 文 辉 ， 张 文 辉 ， 张 文 辉 . 晶 间 腐 蚀 损 伤 的 周 期 模 拟 。 J ElectrochemSoc2018;165（7）：C362-74。[18]Elices M，Guinea G，Gómez J，Planas J.《内聚区模式：优势、局限和挑战》。工程机械2002;69（2）：137- 63. http：//dx.doi.org/10.1016/S0013-7944（01）00083-2，URLhttp：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013794401000832网站。[19]Xie D，Waas AM.混合 型断裂的 离散内 聚区有限 元分析模 型。机 械工程2006;73（13）：178396. http://dx.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2006.03.006 ， URL http ：//www. sciencedirect.com/science/article/pii/S0013794406001007网站。[20] Kim Y-R预测沥青材料和沥青路面断裂的粘聚区模型：最新进展评述。Int JPavementEng2011;12（4）：343-56.http://dx.doi.org/10.1080/10298436.2011.575138，arXiv：https://doi.org/10.1080/10298436.2011.57513.[21]扎雷-拉米Midas-VT处理器，https://github.com/K1-ZR/midas-vt-pro（2018年11月）。http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.1481174网站。[22]Bruno L，Parla G，Celauro C.从平面图像中检测沥青混合料集料级配的图像分析。Constr Build Mater2012;28（1）：21-30.[23]Liu W-H，Sherman AH.稀疏矩阵的cuthill-mckee与逆cuthill-mckee排序算法的比较分析。SIAM JNumer Anal1976;13（2）：198-213.[24] 扎 雷 - 拉 米 Midas-vt 预 处 理 器 ， https://github.com/K1-ZR/midas-vt-pre（2018年11月）。http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.1482007网站。[25]You T，Kim Y-R，Rami KZ，Little DN.沥青路面的多尺度建模：与现场性能的比较和设计变量的参数分析。J Transp Eng Part B 2018;144（2）：04018012.