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A novel 3D anisotropic Voronoi microstructure generator with an advanced spatial discretization scheme

沃罗诺图 材料科学 六面体 离散化 各向异性 微观结构 微晶 镶嵌(计算机图形学) 纵横比(航空) 各向同性 形心Voronoi细分 几何学 有限元法 算法 计算机科学 数学分析 复合材料 数学 冶金 结构工程 物理 光学 工程类
作者
T.F.W. van Nuland,L. Palmeira Belotti,J.A.W. van Dommelen,M.G.D. Geers
出处
期刊:Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering [IOP Publishing]
卷期号:29 (8): 085014-085014 被引量:8
标识
DOI:10.1088/1361-651x/ac32b3
摘要

Abstract At the microstructural scale, Voronoi tessellations are commonly used to represent a polycrystalline morphology. However, due to spherical growth of nuclei, an anisotropic tessellation with spatially varying elongated grain directions, which is present in many applications, cannot be obtained. In this work, a novel 3D anisotropic Voronoi algorithm is presented, together with its implementation and two application cases. The proposed algorithm takes into account preferred grain growth directions, aspect ratios and sizes in the definition of an ellipsoidal growth velocity field defined per grain. For applications in which a predetermined mesh is used, e.g. voxel-mesh based simulations, the grains are extracted in a straight-forward manner. In cases where a fully grain conforming discretization is desired, e.g. finite element simulations, a hexahedral mesh generator is incorporated to arrive at a discretization which can be directly used in microstructural modeling simulations. Two application cases are studied (a wire + arc additively manufactured and a magnesium alloy microstructure) in which the algorithm’s capability for curved, non-convex, periodic domains is shown. Furthermore, the resulting grain morphology is compared to experimental data in terms of grain size, grain aspect ratio and grain columnar direction distribution. In both cases, the algorithm adequately produces a representative volume element with convincing representativeness of the experimental data. The 3D anisotropic Voronoi algorithm is highly versatile in a wide range of application cases, specifically suitable for the generation of polycrystalline microstructures that include grains with spatially varying elongated directions.
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