晶體塑性
關注創建者：學習go on 創建時間：2019-10-23
晶體塑性的視頻教程
基于Abaqus軟件的晶體塑性有限元分析(2)-基于UMAT的晶體塑性有限元程序
為了幫助大家在學習晶體塑性有限元分析過程中少犯錯和少走彎路，系列課程基于Abaqus軟件進行晶體塑性有限元分析(2)-基于UMAT的晶體塑性有限元程序。
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3.DAMASK晶體塑性有限元平臺案例實戰教程——雙相合金鋼晶體塑性分析(BCC)
課程目標： 對DAMASK晶體塑性有限元平臺的運行原理有基本了解 熟悉掌握DAMASK的前后處理 熟練掌握DAMASK譜求解器的使用 熟練掌握Paraview的使用 章節目錄： 課程簡介 實戰一：(FCC)2D多晶體鋁合金晶體塑性分析 實戰二：(BCC)雙相合金鋼晶體塑性分析 實戰三：(HCP)多晶體晶體塑性分析——Mg 實戰四：單晶取向對相鄰晶粒應力和應變分布的影響
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4.DAMASK晶體塑性有限元平臺案例實戰教程——多晶體晶體塑性分析——Mg(HCP)
課程目標： 對DAMASK晶體塑性有限元平臺的運行原理有基本了解 熟悉掌握DAMASK的前后處理 熟練掌握DAMASK譜求解器的使用 熟練掌握Paraview的使用 章節目錄： 課程簡介 實戰一：(FCC)2D多晶體鋁合金晶體塑性分析 實戰二：(BCC)雙相合金鋼晶體塑性分析 實戰三：(HCP)多晶體晶體塑性分析——Mg 實戰四：單晶取向對相鄰晶粒應力和應變分布的影響
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晶體塑性的實例教程
適用于新手入門介紹
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相關文檔：
（1）A user-material subroutine incorporating single crystal plasticity in the ABAQUS finite element program, Mech Report 178
講解子程序和各個子函數作用以及整體的程序框架并包含原始的1991年代碼和inp文件（pdf版本）
（2）Addendum to 'A user-material subroutine incorporating single crystal plasticity in the ABAQUS finite element program, Mech Report 178
1997年針對原始的程序中存在的個別問題進行了修改，修改后的文件以CFIXA開頭，主要是修改了硬化相關的部分
（3）umat_documentation 翻譯
主要對第一個pdf內容進行了翻譯
（4）黃永剛程序迭代部分解釋
該pdf文檔主要對umat子程序NR迭代部分進行解釋
（5）晶體塑性硬化公式
該pdf主要介紹常見的幾類唯象的硬化模型
相關程序：
（1）原始程序可參考文檔一
（2）huang_umat_97對應于97版本修改后的子程序
（3）考慮孿晶效應的本構模型參考HCP材料多晶滑移系統與Miller指數 (qq.com)，晶體塑性每日文章推薦（六） (qq.com)
（4）位錯密度模型參考晶體塑性每日文章推薦（三） (qq.com)
（5）疲勞模型參考晶體塑性每日文章推薦（五） (qq.com)，闞前華老師的《非線性
本構關系在ABAQUS中的實現》
（6）顯式模型參考晶體塑性每日文章推薦
展開 作者：辭殤
關鍵詞：CPFEM；鈦合金；單軸拉伸；織構極圖；孿晶
晶體塑性有限元是一種結合了晶體塑性理論和有限元方法的數值模擬技術?。這種方法考慮了晶體材料的各向異性、滑移系統的開動和相互作用、以及變形過程中的硬化效應。它主要用于分析和預測晶體材料的塑性變形行為，特別是在微觀尺度上的變形機制。
晶體塑性有限元在材料科學和工程領域有著廣泛的應用，特別是在金屬加工、航空航天、汽車制造和生物醫學等領域。通過這種技術，研究人員和工程師可以更好地理解材料的力學行為，從而開發出更輕、更強、更耐用的材料和產品。此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結構特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統的活動，從而能夠預測材料在細觀尺度上的織構演化。
利用CPFEM方法對鈦合金圓棒拉伸過程進行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實現方式。并且，在一些復雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過程中的非線性行為和動態響應。
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機制。
圖1 單軸拉伸有限元模型示意圖
圖2 單軸拉伸晶體塑性模型示意圖
通過有限元方法，可以計算出在給定拉伸載荷下，這些晶粒如何相互作用，以及它們如何隨時間變形。這種方法能夠提供關于晶體材料內部應力、應變和變形機制的詳細信息，有助于理解材料在受力時的響應，并優化材料的設計和加工過程。圖3所示為單軸拉伸過程應力云圖，圖4所示為單軸拉伸過程孿晶云圖。
展開 而研究微細觀尺度的變形不均勻性是新材料開發及優選的重要準則，晶體塑性有限元方法將晶體塑性理論和有限元軟件進行了恰當的融合，成為研究細觀層次塑性變形行為的強有力工具。來自華東理工大學機械與動力工程學院的艾鑫團隊，基于Voronoi方法建立了Custom450 鋼拉伸的二維晶體塑性模型，分析了初始硬化模量、參考剪切應變率、應變率敏感系數、初始屈服應力以及飽和流動應力對材料應力——應變曲線的影響，并對晶體塑性參數進行了標定。
在文獻中，作者所建立的單晶本構模型參考了HUANGY的單晶體模型的子程序UMAT，此率相關硬化晶體塑性模型需要確定的參數包括初始硬化模量h0、初始屈服應力τ0、參考剪切應變率γ，應變率敏感系數n和飽和流動應力τs，其他參數通過計算和查找文獻獲得。基于Voronoi方法，作者在有限元軟件Abaqus中建立了Custom450材料的多晶體二維幾何模型并將本構關系嵌入軟件中，進行拉伸過程的模擬。
圖1所示是微結構模型及其網格劃分，幾何模型尺寸長度為0. 2 mm，寬度為0. 5mm，共包含100個晶粒，大小和形狀隨機，且晶粒取向隨機分布。
圖1包含100個晶粒的微結構模型及其網格劃分
圖2是邊界條件的約束情況，模型的上端面和下端面的所有節點在y方向上具有均勻的位移，左側所有節點在x方向上設置約束，使其不能橫向移動，y方向自由，在右邊界施加載荷，右側的所有節點x方向上經受同等應變載荷，而在y方向上是自由的。
圖2邊界條件示意圖
對于體心立方晶體來說，3個滑移系包括1個主滑移系和2個次滑移系。分別對包含1、2、3組滑移系開動的情形進行模擬，結果如圖3所示，只有主滑移系 { 110} < 111 >啟動時，應力——應變曲線在彈塑性區間過渡的位置存在明顯拐點，并與試驗曲線吻合良好。
展開 參考資料
Ti3Al單晶和雙相片層TiAl合金塑性行為的CPFEM模擬
Ti-6Al-4V合金納米壓痕變形與高周疲勞行為CPFEM研究
On Predicting the Channel Die Compression Behavior of HCP Magnesium AM30
兩相鈦合金拉伸力學行為的研究
密排六方金屬鎂的晶體塑性力學性能研究
HCP多晶體塑性的數值模擬
TA15鈦合金高溫變形多晶體塑性有限元模擬
γ-TiAl多晶體壓縮變形機制的晶體塑性有限元研究
純鈦單道次ECAP變形織構演化的細觀有限元模擬
純鈦晶體塑性力學性能研究
純鈦塑性變形行為的晶體塑性有限元模擬
純鈦壓縮變形下的晶體塑性有限元分析
考慮滑移與孿晶的鎂塑性本構研究
鈦合金雙態組織高溫拉伸行為的晶體塑性有限元研究
展開 文章名稱：《Comparison of the implicit and explicit finite element methods using crystal plasticity》
doi：10.1016/j.commatsci.2006.08.002
推薦理由：作為顯式晶體塑性與隱式晶體塑性模型比較，以及適用性討論最經典的文章之一，詳細介紹了顯式與隱式求解器的區別，其研究結果表明：對于更簡單的加載條件，隱式方法的求解時間更短。在涉及接觸的載荷條件下，顯式方法被證明是優選的選擇。與使用多個處理器解決分析的隱式方法相比，顯式方法顯示出持續高水平的并行化效率。
眾所周知：在隱式方法中通常使用牛頓迭代方法，解涉及迭代，直到每個增量都滿足收斂標準。因此計算收斂于精確解（隱式：基于t+Δt時刻確定t+Δt時刻的狀態變量），而顯式方法中的有限元方程使用的通常是歐拉向前方法，并且在這種形式下，它們可以直接求解，以在增量結束時確定解，當增量步小于穩定時間增量時，總是可以保證計算的進行，但結果不一定收斂于精確解，（顯式：基于t時刻確定t+Δt時刻的狀態變量）因此準靜態問題使用隱式往往更加高效，而涉及到接觸則使用顯式可以保證計算穩定
由于晶體塑性模型考慮了介觀尺度的塑性變形的真實物理過程，因此被廣泛用于已在模擬金屬和金屬基材料中的介觀尺度下大變形和應變局部化，然而其高度非線性的積分過程，相較于傳統模型，其數值成本往往很高，因此基于復雜的晶體塑性模型更能體現顯式于隱式積分的差異，這里作者的討論顯式程序和隱式程序使用huang的亞彈性框架進行
由于隱式程序在大量的博士論文可以找到詳細內容，這里不做贅述，這里主要提到文獻關于顯式的一些內容。
顯式計算存在臨界穩定時間的概念，當最大增量步大于該時刻時會導致計算結果發散，從而使得計算結果失去意義。
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使用FFT作為邊值問題的求解器，使用固定點迭代完成內部的晶體塑性迭代。使用經典的位錯密度模型計算硬化和熱激活流動方程計算滑移系的剪切變形。
初始RVE模型使用neper建模，建立一個包含100個晶粒的多晶模型：
matlab導入幾何模型網格：
并沿著X方向進行1.0%的拉伸變形，所有量綱使用m-s-pa。
傳統室溫本構模型通常需要依賴大量不同溫度、不同加載路徑下的實驗數據進行擬合，很難真正解釋“溫度如何影響晶體滑移和多晶塑性響應”。
Cyr 等人針對這一問題提出了一個三維熱-彈-黏塑性晶體塑性模型，即 TEV 模型，用于描述 FCC 多晶材料，特別是 AA5754 鋁合金在升溫條件下的力學行為。該模型的核心思想是：材料變形不僅包含彈性變形和晶體塑性滑移，還需要顯式考慮熱膨脹變形。
這篇文章對我們的啟發在于：晶體塑性并不只能用于單晶拉伸、RVE 或微觀變形分析，也可以嵌入顯式動力學框架，用于研究真實工程結構中的局部變形、吸能和織構演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統本構更豐富的物理信息。
這個思想非常適合和晶體塑性模型結合，因為晶體塑性本來就是逐滑移系計算的。
在作者的模型中，晶界通透性可以進一步轉化為晶界障礙應力。通透性越高，障礙應力越小；通透性越低，障礙應力越大。這樣一來，晶界對塑性滑移的影響就可以直接進入滑移率方程：只有當有效分切應力足夠克服晶界障礙時，晶界附近的滑移才能繼續發展。
這篇文章的另一個重要部分是位錯重分配。
這樣做的好處是，一方面保留了孿晶“有極性、不可正反完全對稱”的物理特征，另一方面又能把它自然嵌入有限變形晶體塑性框架中。這個思想到今天看仍然非常高明，因為它在“物理真實性”和“程序可實現性”之間找到了很好的平衡。
第三，這篇文章并沒有急著把硬化寫得非常復雜。
3,3),
3 dfgrd0(3,3),dfgrd1(3,3),jstep(4)
ddsdde=0.0d0
noffset=noel-nelem
statev(1:nstatv)=UserVar(npt,1:nstatv,noffset)
return
end
材料屬性和狀態變量如下：
該代碼非常容易和晶體塑性結合使用
多格式導出： 生成的模型支持導出為坐標數據、拓撲連接信息等，方便后續導入 ABAQUS、ANSYS 或自編的有限元/晶體塑性（CPFEM）程序中。
【操作流程：三步搞定】
第一步：設定全局參數。 在左側面板選擇晶粒總數及 RVE 尺寸。
第二步：精修幾何特征。 調整權重系數（Weights）和偏度，生成不規則或特定分布的晶粒形狀。
第三步：導出與應用。
文章推薦：《Reduced-order representations of crystallographic texture for application to surrogate modelling of austenitic stainless steel》
晶體塑性有限元（CPFE）模型在預測多晶材料宏觀性能與微觀晶體學織構的相互作用中扮演著核心角色 。
基于UMAT的蠕變變形仿真16天前
這就像，搞編織復合材料卻不懂層合板，懂金屬的晶體塑性力學，卻不懂最常見的JC彈塑性模型。有點像辟邪劍譜，練的快是快，但是沒有根基。
扯遠了，回到蠕變這個問題，我們采用唯象模型，簡單講就是根據試驗數據擬合的蠕變模型。
晶體塑性：構建Dream3D pipeline用于將EBSD模型制作成Abaqus可執行文件
案例實操
用于生成模型的Dream3D pipeline文件，只需要你設置EBSD數據的路徑和導出路徑即可，可以直接生成abaqus的晶體塑性模型，提供原始文件！
