模拟仿真助力4D打印技术—附教学案例
4D打印
所谓的4D打印，准确地说是一种能够自动变形的材料，只需特定条件（如温度、湿度等），不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。4D打印最关键的是“智能材料”。3D打印是预先建模再打印出成品，而4D打印的逻辑是把产品设计通过打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定时间或激活条件下，无需人为干预，也不用通电，便可按照事先的设计进行自我组装。
研究人员受大自然的启发开发出形状变形材料，它们可以复制天然软组织的功能。这种材料在软机器人、可编程物质、仿生工程和仿生制造等领域有着广泛的应用。例如2016年在Nature Materials 上面发表的一篇论文就介绍了仿生4D打印技术。研究者们发现，植物某些器官，如卷须、苞叶、叶子和花会响应环境刺激（像湿度、光或接触）而改变内部不同地方细胞的膨胀，这导致了被各个组织和显微结构下各向异性的细胞壁所支配的动力学过程。受这个启发，他们制作了一种可编程的复合水凝胶结构，它的编码具有局域性和各向异性的膨胀行为。他们在浸入水中后会产生复杂的三维形态。图1是部分成品的效果 。
图 1 （图片源于NATURE MATERIALS DOI: 10.1038/NMAT4544）
另外2018年在Nature Communications上研究人员还发表了一篇关于编程人工水凝胶的文章。他们研究出一种方法，用该方法编码具有时空控制生长（膨胀和收缩）的二维水凝胶，以创建具有编程形态和运动的三维结构。这种方法使用温度响应水凝胶，局部可编程水凝胶的膨胀程度和收缩率。成品如图2 。
图2 （图片源于NATURE COMMUNICATIONS (2018) 9:3705）
如何预测材料在受到外界条件刺激下的形状变化是4D材料的关键。类似于以上文章中提到的吸水膨胀以及其他的4D打印问题，我们都可以利用COMSOL Multiphysics这款仿真模拟软件来实现。该款大型的高级数值仿真软件可以在一个模型中添加多个物理场，能方便实现材料得外场刺激的响应的模拟。利用该软件对研究材料进行建模，可以得到不同含水量的情况下不同时间后材料的形变情况、材料某处水的浓度变化以及材料中的应力分布等等。例如下图这样一个材料形变的过程。
图3 用COMSOL模拟4D 打印材料形变
通过模拟计算可以帮助我们建立材料变形前形状与变形后形状之间的关系，能验证和优化结果设计。所以COMSOL这类模拟软件的使用是从事该类研究工作必不可少的技能。下面向大家介绍一个简单模型，利用COMSOL Multiphysics对膨胀变形进行模拟。
01
新建模型向导
从文件菜单中选择新建。在新建窗口中，单击模型向导。在模型向导窗口中，单击三维。在选择物理场树中选择结构力学 > 固体力学 (solid)。单击添加。单击研究。在选择研究树中选择一般研究 > 稳态。单击完成。
02
绘制几何形状
如图4构建两层长方体的几何模型。
图4 几何模型的构建
03
添加材料
从在主屏幕工具栏中，选择材料栏，单击空材料。在模型开发器窗口的组件 1 (comp1)> 材料节点下，选择材料1（mart1）。几何实体层为域，区域选择上面那层长方体。在材料的设置窗口中，定位到材料属性栏，在固体力学中选择热膨胀，并点击左下角的添加到材料；在同一个材料属性中的固体力学中选择线弹性材料中的Lamé 参数，点击左下角的添加到材料。定位到材料属性明细，输入图5中的数值。
图 5 材料属性添加和材料属性明细
在材料1（mart1）节点下选择基本（def）, 在基本的设置窗口中，定位到输出属性，点击下面的加号，在固体力学栏中选择热膨胀系数（1/K），点击确定，之后将其值设置为1，如图6。
图 6 材料属性设置
再在主屏幕工具栏中，选择材料栏，单击空材料。在模型开发器窗口的组件 1 (comp1)> 材料节点下，选择材料2（mart2）。几何实体层为域，区域选择下面那层长方体。在材料的设置窗口中，定位到材料属性栏，在固体力学中选择热膨胀，并点击左下角的添加到材料；在同一个材料属性中的固体力学中选择线弹性材料中的Lamé 参数，点击左下角的添加到材料。定位到材料属性明细，输入图7中的数值。
图 7 材料属性明细
在材料2（mart2）节点下选择基本（def）, 在基本的设置窗口中，定位到输出属性，点击下面的加号，在固体力学栏中选择热膨胀系数（1/K），点击确定，之后将其值设置为1，如图6。
图 8 材料属性
04
固体力学
在主屏幕工具栏中的物理场工具栏中单击边界，选择固定约束，边界选择为图中侧面。
图9 固定约束边界
在主屏幕工具栏中的物理场工具栏中单击域，选择超弹性材料，在设置窗口的域选择中选择上下两块长方体。在超弹性材料的设置窗口中，定位到超弹性材料，将参数调成图10所示。
图10 超弹性材料设置
然后在主屏幕工具栏中的物理场工具栏中单击属性，选择热膨胀。在模型开发器窗口的组件 1 (comp1)>固体力学（solid）>超弹性材料（1）节点下，选择热膨胀1。在热膨胀的设置窗口中定位到热膨胀属性栏，将输入类型改为热应变，如图10.
图11 热膨胀属性
05
划分网络
在模型开发器>组件1栏中，左键单击网格 1。在设置窗口中点击全部构建。
图 12 网络构建
06
研究
点模型开发器>研究1栏，在设置窗口点计算。
图13 研究
07
稳态结果
Comsol计算完后即可得到材料形变后的应力分布以及变形情况。
图14 结果展示
为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握有限元仿真模拟这一前沿高效的数据分析手段，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升专题培训。
科研模拟·学术仿真专题培训会
2019年04月27-28日 上海·上海科技大学
2019年06月1-2日 北京·中科院理化所
2019年06月15-16日 北京·中科院理化所
课程概要
提高文章中稿率、冲高影响因子的关键，在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想，数据不够完美，论文内容缺乏支撑，这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区，让你的实验结果从此告别“差强人意”，高影响因子不是梦！
在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能，在许多物理和工程类学科（力学，光学，流体力学，电磁学，声学，化工）中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析，结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展，仿真模拟的需求也不限于上述的学科，在新兴的材料科学，能源科学，生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现，仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用，越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。
本课程专门针对科研学术领域，为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始，循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等），让学员全面掌握整个建模流程，并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训，我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。
课程内容
1.入门有限元仿真模拟
有限元方法的基本内涵，仿真模拟基本理论的讲解，以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义，能够帮助科研人员解决的实际问题，不同仿真模拟软件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特点和在科研上运用的优缺点比较；
COMSOL软件介绍及基本操作演示和教学，包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。
2.有限元模拟的一般思路和通用方法
理解线性和非线性有限元法的理论基础，了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识，以典型的多物理场模拟为入门教学案例，帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路，并能够灵活应用于自己的研究领域。
3.COMSOL软件的高级使用技巧
结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学，包括几何建模注意事项，优化网格划分的方法与技巧，结果后处理与复杂图表的绘制方法，多物理场耦合的方法与技巧，通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等，深入学习COMSOL软件的高级操作技巧，并结合学员科研背景进行案例演示，进一步挖掘实操中的常用技巧。
4.多物理场仿真建模的高效技术解决方案
结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础，多物理场耦合的分析方法和注意事项，添加方程式及耦合分析；求解时域，频域和特征值问题；移动网格和自适应网格方法，查找，理解和排除建模中的错误，用户工作效率最大化的有效建模，仿真模拟在科研中的实战演练，结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练，进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议，针对科研工作中的问题和老师当面交流，理清思路，解决模拟困难。
部分教学案例展示
• 几何建模注意事项
• 优化网格划分的方法与技巧
• 结果后处理与复杂图表绘制
• 多物理场耦合的方法与技巧
• 通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题
• 纳米摩擦发电机仿真模拟
• 微流体物质混合模拟
• 金属光栅衍射
学员作品：
模拟案例：
更多案例展示请点击“阅读原文”或者登陆：
http://www.zhongkehuancai.com
讲师简介：
Dr. Li
中科幻彩仿真模拟事业部技术总监
中国科学院博士
美国加州大学洛杉矶分校博士后
全国物理奥林匹克竞赛金牌、美国数学建模大赛一等奖
以第一作者在Nature Communications/ Science Advances/ AdvancedMaterials/ JACS等顶级杂志发表多篇论文
八年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验
百余个通过模拟显著提升文章档次的案例
课程福利：
凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料，科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件。
往期现场：
报名通道：
时间地点：
2019年4月27-28日 上海·上海科技大学
2019年6月1~2日 北京·中科院理化所
2019年6月15-16日 上海·上海科技大学
注册费用：
原价：2800元/人
团报价：2600元/人（3人及以上）
报名咨询：17611790910（毛老师）
提供正规发票（包括会议注册表、邀请函等报销材料）、费用包含两日午餐和资料。住宿及其他费用自理。
报名方式：
扫描下方二维码在线填写报名表，自主选择场次，工作人员会在收到报名信息的第一时间电话联系确认相关信息。
缴费方式：
1.银行转账汇款（由中科卓研代收）
开户行：北京银行中关村海淀园支行
收款单位：北京中科卓研科技有限公司
银行账号：20000032746600012611147
备注：姓名+单位+场次
2.支付宝转账
企业支付宝账户：zhongkezhuoyan@163.com
请核对户名：北京中科卓研科技有限公司
3.现场刷卡/现金
培训当天可刷公务卡或现金或微信支付，请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续。
【常见问题】
Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？
A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。
Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？
A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。
Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？
A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。
Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？
A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。
Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？
A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～
Q：可以开具发票进行报销吗？
A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。
Q：培训提供食宿吗？
A：我们为学员提供两日培训的午餐，住宿需要学员自费，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。
相关内容
微信扫码咨询专知VIP会员