GeoDict扩展_LamiGeo GeoApp

多层纤维增强层合复合材料的参数化三维建模

多层纤维增强层合材料的性能，不仅取决于纤维和基体本身，还受到铺层数量、单层厚度、纤维方向、纤维体积分数以及层间结构等因素的共同影响。准确建立层合材料的三维微观结构，是预测其各向异性力学行为、比较不同铺层方案和开展材料优化的重要基础。

LamiGeo GeoApp用于自动生成可定制的多层纤维增强层合复合材料。用户可以通过参数化输入控制层数、铺层角度、纤维直径、纤维体积分数、纤维波曲、包覆区域和纤维间距，快速建立可直接用于数字实验的三维体素模型。生成的结构还可与ElastoDict等GeoDict模拟模块连接，用于结构与物性分析。

一、从铺层设计到三维微观结构

传统层合板设计通常以铺层角度、单层厚度和材料参数描述整体结构，例如：

0°单向层；90°横向层；+45°和−45°斜向层；对称铺层；交叉铺层；准各向同性铺层。

这类铺层表达能够描述层合板的宏观组成，但难以直接展现每一层内部的纤维排布、纤维之间的距离、局部波曲以及纤维和基体的真实空间关系。

LamiGeo可根据用户给定的铺层参数，在每一层中生成具有明确方向的纤维，并将多个纤维层组合成完整的三维层合结构。最终模型以体素形式表示，可保留纤维、基体及可选包覆区域等不同材料相，为后续微观力学模拟提供几何基础。

二、LamiGeo的主要功能

1. 自定义层数与铺层角度

用户可以设置层合材料的层数，并为每一层分别指定纤维方向。

例如，可建立包含以下方向组合的层合结构：0°/90°交叉铺层；+45°/−45°角度铺层；0°、90°及±45°组合铺层；不同方向重复排列的多层结构；对称或非对称铺层结构。

点击运行后，GeoApp会打开 Enter Layer Angles 对话框，用户可在其中输入各层的纤维角度。不同铺层角度会直接改变层合材料的方向性和后续预测得到的力学响应。

2. 设置单层厚度

通过 Fiber Layer Height，用户可以设置每一纤维层的厚度。

各层可采用相同厚度，也可以根据实际设计建立厚度不同的层。结合层数和铺层角度设置，用户能够构建：等厚多层层合板；不同厚度组合的层合结构；表层与芯层厚度不同的结构；局部强化层或功能层。层数和各层厚度共同决定最终层合结构在Z方向上的总体尺寸。

3. 设置纤维直径与纤维体积分数

用户可以输入：Fiber Diameter纤维直径；Fiber Solid Volume Percentage层内纤维固体体积分数。纤维直径决定模型中单根纤维的尺度，纤维固体体积分数则决定各层中的纤维含量。GeoApp按照设定值在对应层内生成纤维，直到接近目标体积分数。通过改变这两个参数，可建立不同纤维含量和排布密度的数字层合材料，用于比较其微观结构及性能差异。

4. 选择纤维和基体材料

LamiGeo允许用户分别选择：Matrix Material基体材料；Fiber Material纤维材料。GeoApp可调用丰富的材料集合，为纤维和基体指定相应材料。典型组合包括：E玻璃纤维与环氧树脂；碳纤维与环氧树脂；其他纤维增强聚合物体系。

在后续ElastoDict计算中，可进一步为不同材料相指定弹性、塑性、损伤或失效等材料参数。

5. 无重叠纤维生成

LamiGeo可选择是否允许纤维相互重叠。

启用 No Fiber Overlap 后，GeoApp会生成彼此不重叠的纤维结构。用户还可以设置 Isolation Distance，即纤维之间的隔离距离或最小间距。

该功能适合建立物理上相互分离的连续纤维结构，避免数字模型中出现不符合设计要求的纤维穿插。Math2Market将“无重叠纤维放置及可选隔离距离”列为LamiGeo的主要功能之一。

6. 纤维波曲

实际层合复合材料中的纤维并不一定完全笔直。制造、铺放和固化过程可能造成一定程度的纤维波曲或偏离理想方向。

LamiGeo通过 Fiber Waviness 参数描述纤维方向附近的角度变化。根据官方用户指南，正值会生成轻微弯曲的纤维。通过该参数，可对比：理想笔直纤维；具有轻微波曲的纤维；不同波曲程度下的层合结构。这使生成的数字模型能够包含比完全理想化单向纤维更真实的几何特征

7. 纤维层包覆区域

用户可通过 Fiber Layer Coating 设置在纤维周围沿Z方向生成的包覆区域。

这一参数可用于在纤维层上下形成具有指定厚度的附加材料区域，使模型能够表达更复杂的纤维层结构。纤维层包覆是LamiGeo的真实结构增强功能之一。

三、主要输入参数

LamiGeo的主要参数包括：

设置完成并点击 Run 后，用户输入各层的纤维角度，GeoApp随即生成层合结构。计算完成后，结果文件会自动在GeoDict Result Viewer中打开，并显示结构生成报告。

四、层合结构示例

两种应用导向的层合材料模型

示例一：玻璃纤维—环氧树脂层合材料

参数包括：

纤维材料：E玻璃纤维(E-Glass，5层)；

基体材料：环氧树脂；

纤维直径：10 µm；

单层厚度：300 µm；

铺层角度模式：[0/90/±45/0/90]s。

该示例展示了玻璃纤维层在多个方向上的组合，可用于建立多方向增强的玻璃纤维复合材料。

示例二：碳纤维—环氧树脂层合材料

参数包括：

10层碳纤维结构；

基体材料：环氧树脂；

纤维直径：6 µm；

单层厚度：300 µm；

铺层角度模式：[0/0/0/±45/90]s。

该模型包含多个0°层，并结合±45°和90°层，可用于研究主承载方向增强与多方向响应之间的关系。

说明：下标或后缀“s”在层合材料铺层表示中通常用于表示对称铺层。

五、LamiGeo数字建模流程

典型操作流程如下：

第一步：确定计算域

设置：体素尺寸；X方向宽度；Y方向宽度；层数及各层厚度。

第二步：选择组成材料

分别选择：纤维材料；基体材料。

第三步：定义纤维几何

设置：纤维直径；层内纤维体积分数；是否允许纤维重叠；纤维隔离距离；纤维波曲；纤维层包覆区域。

第四步：输入铺层角度

为每一层分别输入纤维方向，建立所需的铺层顺序。

第五步：自动生成三维结构

LamiGeo调用FiberGeo的纤维生成能力，形成多层、不同方向的体素化纤维增强结构。

第六步：进入数字实验

生成的模型可进一步用于：可视化和结构检查；有效刚度计算；应力、应变和位移场分析；拉伸、压缩或其他变形模拟；损伤与失效研究。

六、与FiberGeo的关系

运行LamiGeo需要 FiberGeo 许可证。

FiberGeo是GeoDict的纤维结构建模模块，可根据纤维形状、直径、长度、曲率和方向分布生成三维数字纤维材料。其应用对象包括：层合结构；短纤维和长纤维复合材料；无纺材料；过滤介质；隔热材料；气体扩散层。

FiberGeo支持直纤维和弯曲纤维、不同截面形状、随机取向分布，以及重叠或无重叠的纤维放置。LamiGeo是在这些基础功能之上，为多层纤维复合材料提供经过简化和自动化的铺层建模流程。

七、与ElastoDict连接开展力学性能预测

ElastoDict模块是常与LamiGeo组合使用的模块。

LamiGeo负责生成三维层合微结构，ElastoDict则可直接在体素结构上计算力学性能，无需预先进行传统的复杂网格划分。

有效刚度

ElastoDict可预测：完整有效刚度张量；局部应力场；局部应变场；位移场；材料的正交各向异性、横观各向同性或各向同性特征。

这使用户可以比较不同铺层顺序、纤维体积分数和纤维方向对宏观刚度的影响。

非线性变形

ElastoDict的Deformations功能可模拟：拉伸；压缩；剪切；循环载荷；大变形。

组成材料可采用包含弹性、塑性、黏塑性、损伤和失效的材料模型。输出结果可包括应力—应变曲线，以及损伤开始和最终失效发生的位置。

层合材料局部响应

相较于仅使用宏观等效参数，基于LamiGeo微观结构的模拟能够显示：哪一方向的纤维层承担主要载荷；不同铺层中的应力重新分配；基体中的局部高应力区域；纤维波曲对刚度和失效的影响；不同材料层之间的相互作用。

相关GeoDict研究曾利用结构生成器建立单向和多向层合材料，并结合ElastoDict研究连续钢纤维和碳纤维混杂复合材料的力学行为。(ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/317579726_Micromechanical_simulation_of_a_multifunctional_hybrid_composite_with_continuous_steel_and_carbon_fiber_reinforcement?utm_source=chatgpt.com)

八、为什么进行数字化铺层研究？

快速比较多种铺层设计

改变纤维角度或铺层顺序，无需重新制备实体层合板，即可创建新的数字模型并比较其性能。

分离不同结构因素的影响

可以分别改变：层数；单层厚度；纤维方向；纤维直径；纤维体积分数；纤维间距；纤维波曲。这样能够识别哪些结构参数对目标性能影响最大。

观察实验难以直接测量的局部场

数字模拟不仅给出整体刚度，还可显示纤维、基体和各铺层内部的局部应力、应变与损伤演化。

减少材料试制范围

GeoDict的复合材料数字研发流程包括数字化、结构分析、模型验证和数字设计。通过先在虚拟模型中筛选铺层方案，可将后续实体试验集中于更有潜力的设计。

九、典型应用方向

LamiGeo适用于需要建立连续纤维多层结构的复合材料研发，例如：碳纤维增强环氧树脂层合板；玻璃纤维增强聚合物层合板；多方向连续纤维复合材料；混杂纤维层合材料；航空航天轻量化结构；汽车复合材料部件；风电叶片和机械工程构件；防护装备和体育器材；具有方向性刚度要求的结构材料。

GeoDict复合材料解决方案还支持微观结构分析、孔隙和缺陷识别、渗透率预测、刚度张量计算，以及包含损伤和失效的非线性力学模拟。

十、所需GeoDict模块

必需模块

运行该GeoApp需要FiberGeo许可证。

常用组合模块

其中，常用组合模块为ElastoDict；其它模块应根据具体研究目标选配。

十一、官方资料与相关文献

1. GeoDict用户指南

GeoApps for GeoDict 2024 — LamiGeo (Create Laminates)
《GeoDict 2024 GeoApps用户指南——LamiGeo（创建层合结构）》

该指南详细列出了LamiGeo的输入参数、铺层角度输入方式、输出结果和所需模块。

阅读或下载官方用户指南PDF：

https://www.math2market.com/fileadmin/UserGuide/GeoDict2024/GeoApp2024.pdf

最新版GeoDict用户指南入口，阅读GeoDict 2026在线用户指南：

https://www.math2market.com/user-guide.html

2. ElastoDict官方资料

Compute Mechanics & Deformation
《力学性能与变形计算》

介绍有效刚度、局部应力应变、非线性变形、塑性、损伤及失效模拟。

阅读ElastoDict官方介绍：https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-base-modules/simulation/elastodict.html

3. GeoDict复合材料解决方案

Digital Development of Composite Materials with GeoDict
《使用GeoDict开展复合材料数字化研发》

介绍复合材料数字化、微结构分析、渗透率计算、刚度预测、损伤与失效模拟及数字材料设计流程。

阅读GeoDict复合材料解决方案：https://www.math2market.com/industrial-solutions/digital-material-r-d/composites.html

4. GeoDict复合材料会议报告

GeoDict – A Digital Material Laboratory for Composites
《GeoDict——面向复合材料的数字材料实验室》

作者：A. Wiegmann、O. Rimmel、M. Hümbert、A. Widera、D. Michel
会议：IVW Kolloquium 2023

该报告介绍GeoDict在纤维增强复合材料微结构分析与优化中的应用。

阅读Math2Market会议报告页面：https://www.math2market.com/showroom/conference-presentations/presentation/geodict-a-digital-material-laboratory-for-composites.html

5. 相关应用论文

Micromechanical Simulation of a Multifunctional Hybrid Composite with Continuous Steel and Carbon Fiber Reinforcement

《连续钢纤维与碳纤维增强多功能混杂复合材料的微观力学模拟》

作者：Constantin Bauer、Benedikt Hannemann、Erik Glatt、Sebastian Schmeer
会议：17th Automotive Composites Conference and Exhibition，2017

该研究使用GeoDict结构生成器建立单向和多向层合材料代表性体积单元，并结合ElastoDict和ConductoDict预测力学与导电性能。模拟结果与实验结果进行了比较。

阅读或下载全文：https://www.researchgate.net/publication/317579726_Micromechanical_simulation_of_a_multifunctional_hybrid_composite_with_continuous_steel_and_carbon_fiber_reinforcement

总结

LamiGeo GeoApp是GeoDict面向多层连续纤维增强复合材料开发的参数化结构生成工具。

用户可以通过统一界面控制：层合材料层数；各层厚度；每层纤维角度；纤维与基体材料；纤维直径；纤维固体体积分数；纤维重叠与隔离距离；纤维波曲；纤维层包覆区域。

LamiGeo将这些参数自动转换为详细的三维体素微结构，并可与ElastoDict连接，进一步研究有效刚度、应力应变分布、非线性变形、损伤和失效。

通过快速改变铺层及微观结构参数，研究人员和工程师能够在实体样品制备之前比较多种层合设计，理解结构参数与材料性能之间的关系，为轻量化、高刚度和高强度复合材料的开发提供数字化依据。

GeoDict——从铺层参数出发，连接层合复合材料微观结构建模、力学预测与数字优化。

覃思科技作为德国Math2Market GmbH授权的GeoDict中国区代理商及服务商，为中国高校、科研院所和企业用户提供GeoDict软件咨询、销售、培训、技术支持，以及纤维增强复合材料建模和力学性能模拟解决方案。