摘要：详细地介绍了使用开发的软件TransMesh和商业化有限元软件 ABAQUS，对二维异质体材料微观组织结构进行面向对象的有限元网格划分技术。这一技术运用C语言和Python脚本语言，在有限元软件ABAQUS中成功的再现了二维异质体材料微观组织结构的体积代表单元（RVE），并通过软件TransMesh实现了参数化有限元网格划分。通过将ABAQUS和自主开发的TransMesh软件相结合，在国内率先系统地掌握了二维异质体材料微观组织结构的有限元网格划分技术，为微观组织结构的有限元模拟的顺利进行奠定了基础。
关键词：异质体微观组织结构 软件TransMesh 有限元网格划分
异质体材料的微观组织结构对于材料的宏观物理和力学性能有着直接的影响。随着有限元方法和计算技术的发展，人们可以利用有限元的方法来模拟微观组织结构，以达到材料微观组织结构的‘性能导向型’设计与预测的目的。在用有限元进行微观组织结构模拟的过程中，网格划分是至关重要的。在国外，进行微观组织结构的有限元网格划分选用的是专门的有限元网格划分软件，而国内没有类似的软件。另外，在对各种不同的异质体材料微观组织结构进行有限元网格划分方面，没有发现专门的文献，更谈不上网格划分技术的系统化。有鉴于此，在微观组织结构可视化的基础上，选择大型通用有限元软件ABAQUS和自己开发的软件 TransMesh系统的进行了异质体材料微观组织结构的有限元网格划分，为今后的异质体材料微观组织结构的有限元模拟与分析提供了有效的手段。
1. 问题的提出
任何一个问题的有限元分析，通常由三个步骤组成：前处理，模拟计算和后处理[1]。与众多的有限元分析软件相比，ABAQUS具有超强的模拟计算和通用的分析能力，同时在前处理功能上也暴露出了明显的不足。这种不足在对复杂微观组织结构建模的过程中表现地尤为突出。对于大多数宏观物体而言，无论直接通过 ABAQUS/CAE所提供的绘图功能，或者是通过ABAQUS本身与绘图功能强大的CAD软件的接口，都可以用手工作图的方式建立相应的模型。然而，材料的微观组织结构是极其复杂的，其组成物分布也是大量分散，极不规则的。于是，如何简单高效地将复杂微观组织的拓扑结构在ABAQUS中真实而准确地再现，进而利用ABAQUS强大的分析能力进行有限元计算，成为亟待解决的问题。
2. 问题的描述
图1 所示，是一个微观组织结构的体积代表单元（RVE），已经利用数字化技术使其可视化。其中的单元块就是数字化后的Voronoi晶胞。通常，认为足够多的 Voronoi晶胞所组成的RVE可以用来代表微观组织结构。也就是说，获得了微观组织结构的几何信息。下一步的目标就是对其前处理，即网格划分，并进行单元体力学的有限元计算，然后根据响应，用有限元的办法对其结构进行优化，以达到材料微观组织结构的‘性能导向型’设计与优化的目的。
图1 微观组织结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of a polycrystal microstructure
3. 问题的解决
在用ABAQUS对其建模的过程当中，拟订了几套方案：首先，试图利用图像格式转换器将上述数字化图像直接通过格式变换，从而转换为ABAQUS所支持的图形文件格式。然而，转换后的图像在ABAQUS中严重失真。位于RVE单元块中的晶粒与晶粒之间变得不再连续。显然，无法对此图像进行进一步的有限元网格划分。
其次，考虑到RVE图像尽管结构复杂，却都是由最基本的线段组成。于是，试图通过在ABAQUS中以直接作图的方式获取图像。这种方法尽管不存在图像失真，但是却很烦琐，甚至是不可能达到的。因为组成RVE的Voronoi晶胞数以千计，数据庞大，手工作图局限性很大。因此，必须在ABAQUS中找到某种程序语言的接口，通过这种接口，再利用ABAQUS的脚本语言 [2,3]，就可以实现程序化作图，从而避免手工作图的烦杂和精确程度不高的问题，大大提高绘图效率。
在对ABAQUS与CAD [3] 的接口方式和现有ABAQUS软件的相关二次开发功能进行了综合分析后，最终选定了两套方案：在第一套方案中，充分利用了CAD强大的绘图功能，用CAD 的脚本语言编写了晶粒的绘图程序，正如所预想的，CAD将需要的晶粒自动绘制成了标准图形。将其导入ABAQUS软件中，并对其进行了网格划分，效果是令人满意的。
尽管上述方案已经达到了程序化绘图的目的，但是在作图中涉及到多方软件，以及CAD与CAE之间的图形转换接口问题，因而给具体的操作过程带来了诸多不便，于是，设计出了第二种方案：在第二种方案中，使用了自己开发的软件TransMesh，生成了ABAQUS的Part脚本文件，直接在ABAQUS中生成了微观组织结构。至此，完全解决了在有限元软件中建立微观组织结构的模型这一关键性的问题，使微观组织结构模型在有限元软件中得以真实的再现。
