晶体塑性有限元初学者较为熟知的工具有Huang's UMAT,EVOCD以及DAMASK平台,这篇文章介绍如何使用开源子程序Huang's UMAT对文献Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals的织构演变工作进行复现。
图1 塑性变形过程织构演变文章
Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals
全文包括以下几个部分:
1) 文献实验结果介绍
2) 多晶体微观结构模型
3) 微观结构网格划分
4) 晶体塑性材料模型
5) 塑性变形边界条件
6) 织构演变结果
7) 参考资料
文献实验结果介绍
退火后(和塑性变形后)纯铜的织构组织的实验测量是通过使用Rigaku RU200衍射仪的X射线实验获得的。首先,用不同目数砂纸依次对试样表面进行打磨,直至试样表面无肉眼可见划痕。然后,在250ml磷酸、250ml乙醇、50ml丙醇、500ml蒸馏水和3g尿素的搅拌电解溶液中进行电解抛光,使得试样表面没有明显的研磨痕迹,具体抛光参数为:电流1.5A,电压5~7V,抛光时间3~5min。最后,在{111},{200},{220},和{311}晶面上使用Schulz反射法观察晶粒织构极图。观察表面的面积约为5.0mm×1.2mm,由于纯铜的平均晶粒直径约为60um,一个典型的观察表面将取样超过1600个晶粒(6mm2/0.0036mm2)。
图2 退火后纯铜的织构极图与金相组织
(a) Initial experimental {111} (equal area projection) pole figure of annealed OFHC copper. (c) Photomicrograph of annealed copper.
多晶体微观结构模型
纯铜的平均晶粒直径约为60um,构建三维晶粒最简单的方法是如左图所示将各晶粒都简化为立方体,其边长为60um,则每个晶粒体积为60*60*60=216,000um3,在0.4*0.4*0.4mm的三维空间里包含有0.4*0.4*0.4/216000*10-9=296个晶粒;构建三维晶粒最常用的方法是使用VORONOI多晶体方法,其构建过程与晶粒长大过程类似。
图3 多晶体微观结构常见的构建模型
VORONOI多晶体的平均晶粒直径为:
[References: Crystal plasticity FE modeling of Ti alloys for a range of strain-rates. Part II: Image-based model with experimental validation]
平均晶粒体积为
在0.4*0.4*0.4mm的空间里包含有0.4*0.4*0.4/233500*10-9=274个晶粒。多晶体几何模型通过开源平台neper构建,neper默认是使用VORONOI方法构建几何模型,输入命令为:neper -T -n 274 -domain "cube(0.4,0.4,0.4)" -morpho voronoi -regularization 1 -format geo,如下图是neper常见的构建命令:voronoi(默认)和graingrowth(缩写gg)。
图4 多晶体微观结构常见的构建命令
"graingrowth"或"gg"表示晶粒生长的统计特性,使用"graingrowth"方法对多晶体微观结构进行构建,输入命令为:neper -T -n 274 -domain "cube(0.4,0.4,0.4)" -morpho gg -regularization 1 -format geo,与"voronoi"方法相比,"graingrowth"方法构建的几何模型更不容易出现尖锐区域,如图5所示。
图5 多晶体微观结构两种方法构建结果
"voronoi"方法与"graingrowth"方法构建的几何模型对比如图6所示,从晶粒尺寸分布可以发现"graingrowth"方法构建的几何模型“晶粒尺寸分布更广”,从晶粒球形度分布可以发现"graingrowth"方法构建的几何模型“晶粒球形度更高”。['graingrowth'or 'gg' for grain-growth statistical properties, which correspond to a wider grain size distribution and higher grain sphericities than in a Voronoi tessellation] 尖锐区域使得网格划分容易出现错误,因此下面以"graingrowth"方法构建的多晶体微观结构为例,进行后续分析。
图6 "voronoi"方法与"graingrowth"方法构建的几何模型对比
微观结构网格划分
由于geo格式的文件在abaqus中无法导入,就算写入脚本成功导入,其自带的网格划分模块也不能满足如此复杂装配模型的网格划分,因此我们使用专业网格划分开源工具gmsh进行微观结构网格划分,然后导出inp格式的文件供abaqus导入,如图7所示。
图7 多晶体微观结构网格划分结果
晶体塑性材料模型
晶体塑性材料模型在ABAQUS中作为用户材料子程序(Huang's UMAT)实现,退火后的纯铜被假定为具有各向同性的初始织构,即假设初始晶粒取向是随机分布的[Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals, Texture evolution and mechanical behaviour of irradiated face-centred cubic metals],274个晶粒的初始织构如图8所示。
图8 274个晶粒的初始织构(0~180°随机织构)
建立完模型后对第一增量步的晶体取向(初始取向)进行验证,如图9所示,说明有限元模型被正确的赋予了这些随机取向,并验证了取向计算程序的正确。
图9 建立模型后对第一步晶体取向的验证
塑性变形边界条件
Abaqus构建有限元模型关键步骤如图10所示。通过以上三个小节的操作,我们借助其他平台或者编写脚本完成了Part、Mesh、Property等较为复杂的模块。接下来,在Abaqus的Module中可以完成Assembly、Step、Interaction等较为简单的模块。那么,在输出inp文件进行提交Job之前,还剩Load模块需要构建。
图10 Abaqus构建有限元模型关键步骤
文章[Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals, Texture evolution and mechanical behaviour of irradiated face-centred cubic metals]讨论了一些常见的边界条件:simple compression、simple tension、plane strain compression、simple shear,如图11所示。
图11 织构演变模拟常见的边界条件
织构演变结果
完成Abaqus构建有限元模型所有关键步骤后,输出inp文件并提交Job,查看织构演变结果如下(由于计算资源的限制,仅计算了simple compression和plane strain compression):
simple compression
plane strain compression
以多晶体中一号节点为例,在塑性变形过程中它的织构演变如下:
1号节点织构取向演变
参考资料
Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals
Texture evolution and mechanical behaviour of irradiated face-centred cubic metals
A User-Material Subroutine Incorporating Single Crystal Plasticity in the ABAQUS Finite Element Program
附件
[取向参数提取程序、欧拉角计算程序、织构程序]
网上参考数据测试:
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=12562139
随机欧拉角数据测试:
[-180°~180°] 1000seeds
[-90°~90°]=[0°~180°] 1000seeds
[-90°~90°]=[0°~180°] 8000seeds
[-90°~90°]=[0°~180°] 80000seeds
[-45°~45°] 1000seeds
[0°~90°] 1000seeds
[0°~90°] 80000seeds
[-10°~10°] 1000seeds
单个欧拉角数据测试:
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