晶体塑性有限元仿真入门:织构演变文献重现

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。

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图1

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)。

QQ截图20221204101023.png

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。

QQ截图20221204105429.png

QQ截图20221204105459.png


Voronoi.gif


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:

QQ截图20221204101215.png

[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

QQ截图20221204101322.png

      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)。

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图8

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。

QQ截图20221204101528.png

QQ截图20221204101539.png

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。

QQ截图20221204101649.png

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。

QQ截图20221204101715.png

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。

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图13

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图14

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图15

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图16

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。


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图17

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图18

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图19

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图20

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。

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图21

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。

QQ截图20221204101916.png


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):

001.png

002.png

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图25

QQ截图20221204102027.png

simple compression

QQ截图20221205222252.png

003.png

004.png

QQ截图20221204102055.png

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:

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图31

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图32

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图33

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图34

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:

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图35

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图36

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图37

http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=12562139


随机欧拉角数据测试:

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图38

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图39

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图40

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图41

[-180°~180°] 1000seeds

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图42

[-90°~90°]=[0°~180°] 1000seeds


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图43

[-90°~90°]=[0°~180°] 8000seeds


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图44

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图45

[-90°~90°]=[0°~180°] 80000seeds



晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图46

[-45°~45°] 1000seeds


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图47

[0°~90°] 1000seeds


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图48

[0°~90°] 80000seeds


晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图49

[-10°~10°] 1000seeds


单个欧拉角数据测试:

QQ截图20221204102254.png

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图51

晶体塑性有限元仿真入门(4)--织构演变文献复现的图52





免责声明:本文系网络转载或改编,未找到原创作者,版权归原作者所有。如涉及版权,请联系删

相关推荐
技术文档
QR Code
微信扫一扫,欢迎咨询~

联系我们
武汉格发信息技术有限公司
湖北省武汉市经开区科技园西路6号103孵化器
电话:155-2731-8020 座机:027-59821821
邮件:tanzw@gofarlic.com
Copyright © 2023 Gofarsoft Co.,Ltd. 保留所有权利
遇到许可问题?该如何解决!?
评估许可证实际采购量? 
不清楚软件许可证使用数据? 
收到软件厂商律师函!?  
想要少购买点许可证,节省费用? 
收到软件厂商侵权通告!?  
有正版license,但许可证不够用,需要新购? 
联系方式 155-2731-8020
预留信息,一起解决您的问题
* 姓名:
* 手机:

* 公司名称:

姓名不为空

手机不正确

公司不为空