CPFEM
關注創建者：lingzhi_simulation 創建時間：2019-11-15
CPFEM的視頻教程
基于EBSD實驗數據的晶體塑性有限元建模(CPFEM,CP-FEM)與分析
本課程將介紹，如何通過實驗獲得的EBSD數據，構建晶體塑性有限元模擬的微觀組織模型，從而實現基于EBSD實驗數據的晶體塑性有限元建模(CPFEM,CP-FEM)與分析。
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基于Abaqus軟件的晶體塑性有限元分析(1)-Voronoi多晶體模型生成方法
軟件進行晶體塑性有限元分析(1)-Voronoi多晶體模型生成方法 關鍵字：Abaqus軟件；晶體塑性有限元；多晶體模型；周期邊界條件 Finite element analysis of crystal plasticity based on Abaqus software Keyword: Abaqus software; Crystal plasticity finite element model (CPFEM
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CPFEM的實例教程
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 同時取向變化速率關系為：
（5）Cube和Goss取向的晶粒相比于RCube和RZ取向，對相鄰取向的晶粒更加敏感，取向變化對周圍晶粒取向的敏感性排序為：
（6）Cube和RZ取向的晶粒顯示相比于Goss更高的晶內旋轉梯度，而RC晶粒則分裂為兩個相等的coppor組分
作者的研究思路：
一：得到和實驗等效取向分布分取向數據和材料參數，這里作者研究一退火良好的鋁為例子，如下圖所示
二：研究taylor模型CPFEM模型以及CPFEM模型預測結果于網格的相關性，以平面應變壓縮為典型變形條件，模擬結果如下，這顯示：全場模型的預測能力高于taylor模型，同時CPFFT模型在預測織構演化，應變分布時幾乎分辨率無關
三，研究CPFEM和CPFFT在預測雙晶變形時預測晶內應變梯度的差異，結果顯示CPFFT預測的晶粒旋轉幾乎于晶內的單元個數無關，良好的收斂。并且預測的晶內取向旋轉于CPFEM結果存在較大差異
四，研究了典型取向的單晶演化速率受周圍晶粒取向影響的情況。
展開 晶體塑性有限元仿真入門(3)--開源代碼平臺EVOCD
晶體塑性有限元初學者較為熟知的兩個工具Huang's UMAT以及DAMASK平臺，這篇文章介紹另外一個晶體塑性有限元方法(CPFEM)的開源代碼平臺EVOCD，講解如何使用這些開源代碼進行材料的塑性變形模擬以及模擬變形過程中晶體取向的變化(織構)。
圖1 EVOCD的CPFEM流程圖
(E.B. Marin, Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University)
我們在網上搜索晶體塑性的關鍵字''CPFEM''時，會發現搜索引擎的網頁排名第一是馬普所(MPI, 大名鼎鼎的DAMASK就是他們團隊的成果)的研究成果，其次是密西西比州立大學先進車輛系統中心(Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University)的開源代碼平臺EVOCD，第三是基于Huang的晶體塑性有限元方法，由此可見EVOCD在晶體塑性有限元方法中的重要性。
圖2 CPFEM搜索結果
(從上到下分別是馬普所 (dierk-raabe.com) 、密西西比州立大學 (msstate.edu) 、哈佛大學 (columbia.edu) 的相關研究成果)
國內的晶體塑性有限元初學者，最主要的還是使用Huang's UMAT以及DAMASK平臺，而對密西西比州立大學的開源代碼平臺EVOCD不太常用。這篇文章將講解該平臺的使用方法以及如何使用該平臺進行晶體塑性有限元變形模擬。
展開 晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
這篇文章講解如何使用晶體塑性有限元方法(CPFEM)進行不同晶格材料以及多相材料的變形模擬，CPFEM是基于商業有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構模型是使用的開源的UMAT用戶子程序(源碼和inp文件見附件)。采用CPFEM模擬了面心立方結構(FCC)、體心立方結構(BCC)和密排六方結構(HCP)的單晶、多晶及多相材料受到外部載荷時的力學響應。基于滑移原理的晶體變形理論，隨著變形的進行各滑移系統的臨界剪應力都會增大，CPFEM將捕捉到材料的力學響應(應力-應變曲線)。這些應力-應變數據有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質。
首先我們從一個簡單的FCC晶格材料的例子入手，講解如何進行有限元模型的創建，從完全新手的角度出發，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結果。
本文章包括以下八個部分：
1) FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
2) FCC晶格材料的變形模擬-多晶體
3) BCC晶格材料的變形模擬-單晶體
4) BCC晶格材料的變形模擬-多晶體
5) HCP晶格材料的變形模擬-單晶體
6) HCP晶格材料的變形模擬-多晶體
7) 多相材料的變形模擬
8) 參考資料
1. FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
幾何模型
如圖1.1a在草圖里繪制R0.015mm的圓形，拉伸0.05mm，最后得到如圖1.1b所示的圓柱體(R0.015mm&H0.05mm)。
展開 結果表明，具有損傷模型的CPFEM可以合理地預測頸縮行為和頸縮方向，而沒有任何初始缺陷。
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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。
考慮GND的大變形冷軋模擬4個月前
參考文獻：《Rolling deformation mechanism of dual-phase NiTiNb shape memory alloy thin strip based on crystal plasticity finite element method》
該文章聚焦雙相 NiTiNb 形狀記憶合金薄帶在 20% 軋制壓下量下的微觀變形機制，作者用晶體塑性有限元（CPFEM）
晶體塑性模擬中的大變形網格重劃分4個月前
相關做法完美的集中到damask3.0版本里面，然而需要指出的是：DAMASK/譜方法更偏向規則網格與RVE范式，而工程里經常需要：任意幾何與復雜邊界（非周期、接觸、局部細化等），以及不同工藝路徑（多道次、換向、局部約束），Abaqus CPFEM（UMAT/VUMAT）在這些方面更“通用”，所以把“remesh + 狀態變量映射”做成一套工作流，就能把大變形晶體塑性更穩地推進到更高壓縮/更大應變階段
參考文獻：《A straightforward 3D polycrystal plasticity finite element method for dynamic/static recrystallization simulation》
文章doi：10.1016/j.jmst.2024.09.005
在這個文章中，作者提出了一種直接在 CPFEM 中實現 DRX/SRX 的方法，以位錯密度為核心變量
通過CA模型捕獲的晶粒結構，特別是其??晶體取向??信息，可以直接為后續的??晶體塑性有限元（CPFEM）?? 模擬提供微觀結構輸入。CPFEM利用每個晶粒的取向和滑移系來預測其在外部載荷下的塑性變形行為和各向異性力學響應，從而建立從制造過程→凝固組織→宏觀力學性能的完整預測鏈條。這使得CAFE方法成為理解和優化增材制造過程-結構-性能關系不可或缺的核心工具。
如何給汽車零部件進行疲勞耐久測試？11個月前
2.數字孿生與虛擬測試深化
疲勞壽命預測模型升級：結合晶體塑性有限元（CPFEM）模擬金屬材料的晶粒尺度疲勞損傷，提升高周疲勞預測精度（如車輪輻板的壽命預測誤差從 ±30% 降至 ±15%）。
虛擬測試與物理測試閉環：通過數字孿生模型實時校準物理測試結果，例如在臺架測試中發現部件提前失效時，虛擬模型自動反演載荷譜偏差，優化后續測試方案。
至此，我們就準備好了所需要的abaqus_v6.env，inp文件和material.config，在inp文件中添加邊界條件，這里采用EasyPBC施加了一個單軸拉伸的位移邊界條件，如下圖所示：
運行作業時在終端輸入：
abaqus job=JiaHe1 user=/home/cpfem/damask-2.0.3/src/DAMASK_abaqus.f interactive
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。
參考文獻:《A novel concurrent multiscale method based on the coupling of Direct FE2 and CPFEM》
文章doi：10.1016/j.tws.2024.112610
Direct FE2（Finite Element Square）多尺度模擬方案是一種常用于材料科學中的數值模擬方法，特別適用于研究復雜的材料行為（
prediction of the ductility limits of thin metal sheets using a CPFE approach
2，Investigation of the effect of morphological and crystallographic textures on the ductility limits of thin metal sheets using a CPFEM-based
