论文：在ABAQUS中进行的微观组织结构的有限元网格划分

4. 软件TransMesh简介

    众所周知，在微观组织结构的有限元建模过程中，网格划分是最为核心的问题。对于同种类型的晶粒而言，利用软件对其进行有限元网格划分的方法和有限元网格划分的过程都是类似的，因此，完全有必要将这些重复的作图过程程序化，对数据进行实时输入，对参数进行实时选择，从而达到参数化作图的目的。为此，开发了软件TransMesh，并实现了与有限元商业软件ABAQUS的接口。TransMesh软件是自主开发的软件，应用于异质体材料微观组织结构的有限元网格划分。其主要功能是用于异质体材料微观组织结构的晶粒生成，实现网格划分的程序化以及实现异质体材料微观组织结构有限元计算的参数化。在软件的编写过程中，使用了C程序语言 [5] 和面向对象的Python  [6,7]脚本语言。将TransMesh软件的运行结果在ABAQUS中执行，便实现了微观组织结构的有限元网格划分。图2显示了TransMesh软件的主体结构。它主要包含复合材料微观组织结构、短纤维增强复合材料微观组织结构、两相多晶体材料微观组织结构、块体增强复合材料微观组织结构、纳米级多晶体材料微观组织结构和纳米级多晶体复合材料微观组织结构等六个模块，开发软件的目的就是为了实现这六个模块微观组织结构的有限元的网格划分。

图 2 TransMesh软件的主体框架
Fig.2 Framework of software TransMesh

    以多晶体材料为机体的复合材料微观组织结构为例，图3(b) 即是一个认为满意的多晶体材料RVE的网格划分图形。从图中可以看出，就每个晶粒而言，晶粒边界上网格节点的分布是均匀的，而就整个RVE区域而言，晶粒与晶粒间网格是连续的，均匀过渡的。由此可以认为这种网格划分的效果是良好的。

    运用同样的思路，同时结合所研究对象的不同情况，成功地完成了多个异质体材料微观组织结构模块的二维有限元网格划分。

    (1) 多晶体材料微观组织结构模块：此模块的基体材料均为多晶体材料，无夹杂。其中图3(a) 是数字化后的多晶体微观组织结构几何图形，在图3(b) 中用混合节点单元对其进行了网格划分，可以看出，所有的网格都是均匀的、连续过渡的。图3(c)中，对其中一个特定晶粒的每条边赋予了较其他晶粒的每条边更多的节点，于是在这个晶粒中形成了更大的网格密度。图3(d) 是一个界面材料，它由两相多晶体组成，在网格划分的过程中，用混合节点单元分别对两种多晶体材料进行网格划分，然后对两者进行复合，就得到这种界面材料的网格划分图。

图3 多晶体材料微观组织结构有限元网格划分
Fig.3 FE Mesh for polycrystal microstructures

    (2) 短纤维增强复合材料微观组织结构模块：此模块的基体相为多晶体材料，增强相为短纤维。图4(a) 是一张数字化的短纤维增强复合材料微观组织结构几何图形，在图4(b)中，将椭圆状短纤维看作夹杂，为了在椭圆夹杂内形成更大的网格密度，将夹杂的椭圆边界赋予了更多的节点，从而使其网格密度大于周围的基体相，然后将网格划分后的基体相和增强相进行复合，从而得到图4(b) 所示的网格划分图。图4(c) 中，将椭圆状短纤维看成了孔洞或微裂纹。此时，只需要对基体相进行网格划分即可。在实际操作中，直接将椭圆状短纤维挖成孔洞，并采用了三节点单元对其周边的基体相进行了网格划分。

图4 短纤维增强复合材料微观组织结构网格划分                   
Fig.4 FE Mesh for short-fiber-reinforced composite microstructures