晶體有限元的案例
基于晶體塑性有限元（CPFEM）的鈦合金圓棒拉伸過程模擬
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 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
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 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。
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還有如果有同學需要damask和neper、ABAQUS等，請參考我的另一篇帖子——基于linux虛擬機的晶體塑性有限元計算平臺（已安裝damask和neper等）》
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1287159
【VMware】如何打開已有虛擬機：https://jingyan.baidu.com/article/6181c3e0c44ebd152ef15332.html
最后附上測試視頻：
neper測試.mp4
晶體塑性有限元仿真入門(1)--開源子程序Huang's UMAT及代表性體積單元的創建
inp文件源文件：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/11UPvZHl26QpDRupopi8LXQ
提取碼：voro
以上是對晶體塑性有限元仿真的簡單講解，如果對voronoi幾何模型，晶體塑性力學，周期邊界條件等感興趣歡迎繼續關注。
塑性工程學報：Custom450鋼拉伸的晶體塑性有限元分析
圖9單軸拉伸應力分布
圖10單軸拉伸應變分布
相關研究成果以“Custom450鋼拉伸的晶體塑性有限元分析”為題發表在塑性工程學報上（2022年9月第29卷第9期），論文的第一作者是艾鑫，通訊作者是朱明亮。
論文鏈接：
DOI: 10.3969/j.issn.1007-2012.2022.09.023
晶體塑性有限元仿真入門(5)—歐拉角與晶體取向
晶體塑性有限元仿真入門(5)—歐拉角與晶體取向.pdf
晶體塑性有限元仿真入門(5)—歐拉角與晶體取向
備注：網頁排版有亂碼，建議下載附件pdf查看
晶體取向是材料學科中的重要分支，當晶粒發生擇優取向時，則導致材料性能（力學，物理和化學性能）的各向異性。各向異性會造成材料實際應用中的各種問題，如鋁合金典型的制耳現象，再如取向硅鋼中存在Goss織構時，有利于其磁學性能。在基礎研究領域，織構的形成與演變是基本的科學問題。在工業應用領域，通過織構的設計和控制可以提高材料的性能。隨著近年來EBSD和XRD等表征技術的發展，各種SCI期刊的發文都已離不開對材料晶體學取向的分析。這篇文章介紹晶體塑性有限元仿真過程中的歐拉角與晶體取向。
圖1 塑性變形過程導致的材料各向異性
全文包括以下幾個部分：
1) 材料晶體結構
2) EBSD工作原理
3) 晶體取向分析
4) 晶體塑性材料模型
5) 織構演變結果
6) 參考資料
7) 附錄
材料晶體結構
在晶體學中，晶體結構是對晶體材料中原子、離子或分子有序排列的描述。有序結構由組成粒子的內在性質產生，形成沿物質三維空間的主要方向重復的對稱模式，如圖2所示。
圖2 高分辨率透射電子顯微鏡圖片的鐵晶體，完美單晶的二維示意圖
構成這種重復圖案的材料中最小的一組粒子是結構的晶胞。晶胞完全反映了整個晶體的對稱性和結構，這是通過晶胞沿其主軸重復平移而建立的。平移向量定義布拉維點陣的節點，不同的晶體內部原子排列稱為具有不同的晶格結構。各種晶格結構可以歸納為七大晶系，各種晶系分別與十四種空間格（稱為Bravais晶格）相對應，如圖3所示。
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之前lingzhi老師有講通過《基于EBSD實驗數據的晶體塑性有限元建模》，DAMASK也可以，通過mtex和其內部的轉化命令實現，現在還是限于二維和準三維（本人都有研究，如有需求可私信）；不過Dream3D（開源軟件）可以將EBSD數據進行處理直接輸出DAMASK模擬所需要的的幾何文件（這部分本人還沒有研究），也有和ABAQUS的接口輸出inp文件，感興趣的同學可以自行去搜索學習。
歡迎大家一起討論相關的問題!
該license文件為替換原來的license文件 ，下載后需要將文件的擴展名改為.lic
替換路徑是/opt/intel/licenses，將其中的license.lic文件進行替換，但是首先要獲得管理員權限，在管理員模式下進行操作。
license.txt
展開 晶體塑性有限元仿真入門(4)--織構演變文獻復現
圖7 多晶體微觀結構網格劃分結果
晶體塑性材料模型
晶體塑性材料模型在ABAQUS中作為用戶材料子程序(Huang's UMAT)實現，退火后的純銅被假定為具有各向同性的初始織構，即假設初始晶粒取向是隨機分布的[Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals, Texture evolution and mechanical behaviour of irradiated face-centred cubic metals]，274個晶粒的初始織構如圖8所示。
圖8 274個晶粒的初始織構(0~180°隨機織構)
建立完模型后對第一增量步的晶體取向(初始取向)進行驗證，如圖9所示，說明有限元模型被正確的賦予了這些隨機取向，并驗證了取向計算程序的正確。
圖9 建立模型后對第一步晶體取向的驗證
塑性變形邊界條件
Abaqus構建有限元模型關鍵步驟如圖10所示。通過以上三個小節的操作，我們借助其他平臺或者編寫腳本完成了Part、Mesh、Property等較為復雜的模塊。接下來，在Abaqus的Module中可以完成Assembly、Step、Interaction等較為簡單的模塊。那么，在輸出inp文件進行提交Job之前，還剩Load模塊需要構建。
展開 晶體塑性有限元
晶體塑性有限元有做疲勞壽命預測的嗎？
晶體塑性有限元中的晶界/相界標定 ￥500
umat與uexternal之間的變量調用（用于晶體塑性有限元中的析出物定義或再結晶）
基于晶體塑形TC4鈦合金的有限元模擬仿真 ￥600
TC4_cpfe.zip
CAE文件，需要6.14版本以上打開，包括TC4鈦合金晶體的有限元模型
晶體塑性有限元 Abaqus 三維泰森多邊形（voronoi模型）插件 V7.0
1 上一版本完整功能介紹：
Voronoi晶體插件-6.0版本[新功能介紹]
晶體塑性有限元 Abaqus 三維泰森多邊形（voronoi模型）插件 V6.0
2 新增功能模塊
7.0版本新增功能模塊包括：柱狀晶體模塊和分層晶體模塊。
2.1 二維柱狀晶體模塊
該模塊支持生成二維各項異性晶體模型，生成的晶體為細長形晶體。
圖2.1 二維柱狀晶體模塊
2.2 二維分層晶體模塊
該模塊支持生成多層晶體模型，每一層可設置不同厚度和晶體大小，晶體的層數支持多達20層。
圖2.2 二維分層晶體模塊
2.3 三維柱狀晶體模塊
該模塊支持生成二維各項異性晶體模型，支持矩形邊界和圓柱體邊界，可生成的晶體為細長或扁平形晶體。
展開 Abaqus晶體塑性有限元三維泰森多邊形（voronoi模型）插件 V9.0
8.0版本介紹：
晶體塑性有限元 Abaqus 三維泰森多邊形（voronoi模型）插件 V8.0
9.0相比于8.0增添三項功能如下：
1. 新增功能概覽
1.1 三維光順晶體模塊
圖1.1 三維光順晶體模塊
1.2 顯示晶體晶界后處理模塊
圖1.2 顯示晶體晶界后處理模塊
1.3 光順泡沫幾何模型生成
圖1.3 三維光順泡沫模型
2.
Damask 2.0.3聯合abaqus進行晶體塑性有限元模擬的簡單介紹
但是Damask和abaqus聯合使用仍然是學習晶體塑性有限元方法不錯的工具。我曾使用過Abaqus聯合damask平臺，這里我對使用過程中個人的一點經驗進行簡單的介紹，希望各位讀者在研究過程中少一些技術上的障礙。
1.軟件安裝
Damask軟件的安裝較為復雜，我那時候是在某魚上找人安裝的，使用的是Ubuntu18.04，Abaqus版本是2018。目前VMware Workstation可以方便的將系統導出為ovf格式，便于安裝，有需要的可以聯系我。
2.使用介紹
關于damask2.0.3聯合abaqus的入門使用，我這里直接用一個簡單的例子來介紹。首先在Neper中生成一個1×1×1的三維立方體晶體模型，共200個晶粒：
neper -T -n 200 -dim 3 -domain "cube(1,1,1)" -oriformat plain -oridescriptor euler-bunge -o Jiahe1
如果想輸出晶粒的等效直徑，可以加上-statcell diameq命令，會自動生成一個文件存儲所有晶粒的等效直徑。
然后劃分網格并生成inp文件，共有9261個單元：
neper -M Jiahe1.tess -rcl 1.3 -elttype hex -interface continuous -format inp -o abq_input
關于網格劃分需要注意，damask2.0.3聯合abaqus只支持部分單元類型（CPE4，CPE8，C3D4，C3D6，C3D8，C3D8R，C3D20，C3D20R），即不支持四邊形單元和四面體單元。
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