晶體塑性仿真的案例
晶體塑性仿真、DAMASK、ABAQUS等 ￥10
馬普所晶體塑性仿真工具DAMASK安裝、使用、框架解讀；
相關linux系統搭建，運維
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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。
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。
展開 晶體塑性有限元仿真入門(4)--織構演變文獻復現
晶體塑性有限元仿真入門(4)--織構演變文獻復現
晶體塑性有限元初學者較為熟知的工具有Huang's UMAT，EVOCD以及DAMASK平臺，這篇文章介紹如何使用開源子程序Huang's UMAT對文獻Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals的織構演變工作進行復現。
圖1 塑性變形過程織構演變文章
Polycrystalline Plasticity and the Evolution of Crystallographic Texture in FCC Metals
全文包括以下幾個部分：
1) 文獻實驗結果介紹
2) 多晶體微觀結構模型
3) 微觀結構網格劃分
4) 晶體塑性材料模型
5) 塑性變形邊界條件
6) 織構演變結果
7) 參考資料
文獻實驗結果介紹
退火后（和塑性變形后）純銅的織構組織的實驗測量是通過使用Rigaku RU200衍射儀的X射線實驗獲得的。首先，用不同目數砂紙依次對試樣表面進行打磨，直至試樣表面無肉眼可見劃痕。然后，在250ml磷酸、250ml乙醇、50ml丙醇、500ml蒸餾水和3g尿素的攪拌電解溶液中進行電解拋光，使得試樣表面沒有明顯的研磨痕跡，具體拋光參數為：電流1.5A，電壓5~7V，拋光時間3~5min。最后，在{111}，{200}，{220}，和{311}晶面上使用Schulz反射法觀察晶粒織構極圖。觀察表面的面積約為5.0mm×1.2mm，由于純銅的平均晶粒直徑約為60um，一個典型的觀察表面將取樣超過1600個晶粒(6mm2/0.0036mm2)。
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。
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
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 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 Damask和abaqus晶體塑性聯合仿真培訓通知
一 軟件介紹
DAMASK 是一個統一的多物理晶體塑性模擬包。連續體力學邊值問題的求解需要連接每個材料點的變形和應力的本構響應,該問題在 DAMASK 中基于晶體可塑性使用各種本構模型和均質化方法能夠被有效解決。除此之外，孤立地處理力學已不足以研究新興的先進高強度材料，在這些材料中，變形的發生與位移相變、顯著加熱和潛在的損傷演變相關，DAMASK 能夠有效處理多物理問題。
二 培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，
學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
需要使用damask軟件進行科學研究的老師 學生以及其他研究人員.
四、培訓內容
（1），abaqus調用damask實現FCC織構演化模擬------以多晶鐵鋁為例子
（2），abaqus調用damask實現BCC織構演化模擬------以多晶鐵素體為例子
（3），abaqus調用damask實現HCP織構演化模擬------以多晶鎂為例子
（4）FCC，BCC，HCP多晶局部應力應變場模擬，狀態變量說明，初始取向賦予，后處理取向提取，應力應變曲線提取。多晶模型建立等
（5）damask程序中多晶本構方程簡介。
（6）雙相模型接單介紹。
展開 Damask和abaqus晶體塑性聯合仿真培訓通知
一 軟件介紹
DAMASK 是一個統一的多物理晶體塑性模擬包。連續體力學邊值問題的求解需要連接每個材料點的變形和應力的本構響應,該問題在 DAMASK 中基于晶體可塑性使用各種本構模型和均質化方法能夠被有效解決。除此之外，孤立地處理力學已不足以研究新興的先進高強度材料，在這些材料中，變形的發生與位移相變、顯著加熱和潛在的損傷演變相關，DAMASK 能夠有效處理多物理問題。
二 培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，
學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
需要使用damask軟件進行科學研究的老師 學生以及其他研究人員.
四、培訓內容
（1），abaqus調用damask實現FCC織構演化模擬------以多晶鐵鋁為例子
（2），abaqus調用damask實現BCC織構演化模擬------以多晶鐵素體為例子
（3），abaqus調用damask實現HCP織構演化模擬------以多晶鎂為例子
（4）FCC，BCC，HCP多晶局部應力應變場模擬，狀態變量說明，初始取向賦予，后處理取向提取，應力應變曲線提取。多晶模型建立等
（5）damask程序中多晶本構方程簡介。
（6）雙相模型接單介紹。
展開 熱-彈-黏塑性晶體塑性模型文章推薦
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。因此，總變形梯度被分解為彈性/剛體轉動部分、熱變形部分和塑性變形部分。
在本構層面，作者保留了 FCC 晶體的 12 個 {111}<110> 滑移系，并采用冪律型滑移率方程描述率相關塑性流動。與常規晶體塑性模型不同的是，該模型把溫度效應系統地引入到多個關鍵物理量中：首先，單晶彈性常數 C11、C12、C44 隨溫度變化；其次，滑移阻力引入熱軟化函數，用來描述溫度升高后滑移更容易發生的現象；再次，單滑移硬化參數也被寫成溫度函數，包括參考臨界分切應力、初始硬化率和硬化指數。
這個模型的優勢在于，它不是簡單地給宏觀應力-應變曲線加一個溫度修正系數，而是從晶體滑移層面描述溫度對材料響應的影響。換句話說，它可以同時分析宏觀應力變化、微觀滑移活動、織構演化、局部應變集中和熱軟化機制。因此，它比普通經驗型熱塑性模型更適合用于多晶材料溫成形模擬。
作者首先利用 AA5754 鋁合金在 25 ℃、148 ℃、204 ℃ 和 232 ℃ 下的單軸拉伸實驗數據標定溫度相關硬化參數。隨后，又預測了 177 ℃ 和 260 ℃ 下的拉伸響應。
展開 初識彈塑性與晶體塑性——面向新手 ￥4.9
文檔以ppt形式展示，從簡單走向深入，講解了彈塑性與晶體塑性在實現時的基本邏輯，內容展示：
JMPS：多主元合金塑性和應變硬化的分層多尺度晶體塑性框架
在細觀尺度上，晶體塑性有限元(CPFE)方法可以考慮相變、位錯滑移和變形孿生等多種細觀變形機制，在描述基于微觀結構演化的材料塑性行為方面具有明顯的優勢。而晶體塑性本構模型的參數通常是通過擬合宏觀實驗結果得到的，但是其缺乏亞微米變形機理，所以擬合參數可能不是唯一的，從而降低了CPFE模擬的預測精度。由于MPEAs的微觀結構是多尺度的，如原子空位和晶格畸變、微尺度位錯和中尺度晶粒等，所以需要考慮微尺度的變形機理來獲得精確的晶體塑性本構模型參數，然后開發一種從納米-微-中尺度微觀結構集成的新的模擬方法。湖南大學的Qihong Fang等人將原子模擬、離散位錯動力學和晶體塑性有限元方法結合起來，建立了一個新的框架，研究MPEAs的應變硬化行為，實現了包括納米尺度晶格畸變和微尺度位錯硬化在內的復雜跨尺度因素對塑性變形的影響，作者結合MD、DDD、CPFE模擬方法和隨機場理論(圖1)，提出了一種可捕捉MPEAs中嚴重晶格畸變的分層多尺度方法來建模MPEAs，該方法連接了三個長度尺度(納米尺度、微觀尺度和中尺度)，為深入理解納米-微米-中尺度結構相關的微尺度變形機制提供了新的思路，并為研究先進MPEAs的多尺度微結構調控相關的優越力學性能提供了可能和途徑。
圖1：用分層多尺度建模方法估計晶體塑性本構模型中的硬化參數。用MD、DDD和CPFE耦合模型預測了多晶材料在不同長度尺度下的力學響應。
圖2是通過MD模擬得到的Al0.1FeCoCrNi MPEA中邊緣位錯速度隨不同剪切應力/溫度比的變化規律。在作者測試的外加應力范圍內，位錯速度幾乎隨σ/T線性增加，這符合聲子阻尼理論。采用DDD模擬研究了邊緣和螺桿段遷移率對Al0.1FeCoCrNi單晶[001]取向應力應變曲線的影響。從圖3中可以看出，不同位錯遷移率下的應力應變曲線與相同遷移率下的應力應變曲線變化不大。
展開 塑性工程學報：Custom450鋼拉伸的晶體塑性有限元分析
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 晶體塑性VUMAT結合VUSDFLD實現晶體變形過程中的臨界狀態單元的刪除------案例二十八
并將返回值給予對應的變量，如下：
常用于獲取的變量如：
S：所有的應力分量
MISES:mises等效應力
TRIAX:應力三軸度
LODE:洛德角參數
PEEQ:等效塑性應變
SDEG:折減剛度系數
TEMP:積分點溫度
需要注意的是：
（1）該子函數不能應用于獲取用戶定義的狀態變量。同時注意2D與3D獲取的分量順序：
（2）需要在材料界面打開用戶自定義場
（3）做單元刪除時也要指明利用哪個狀態變量表示材料狀態，哪個狀態變量用于判斷是否符合應力刪除的特征。從而實現單元的刪除。
本案例介紹如下：
1，模型幾何尺寸20*20mm包含中心區域直徑為2.5mm的缺口
2，使用包含1514個CPE4R單元，每個單元包含代表一個單獨的晶粒
3，分別固定X0和Y0在x，y方向的自由度，并施加X1方向10%的工程應變
4，設置單元的最大Mises等效應力為100Mpa,超過100Mpa后單元失效刪除。
結果如下：
初始時刻的應力狀態
單元刪除效果展示
展開 huang晶體塑性umat耦合Johnson-cook 損傷模型，實現晶體材料彈-塑-損傷模擬分析
參考應變率：ε0
當滿足下列條件時，損傷初始化準則得以滿足：
等效塑性應變認為與應力三軸度和應變率相關聯。
θ^是無量綱溫度，表示為：
其中，θ是當前溫度，θ-melt是熔化溫度，θ_transition是指轉變溫度，在該溫度或低于該溫度時，損傷應變εpl_D的表達式不存在溫度依賴性。材料參數必須在轉變溫度或低于轉變溫度時測量。
損傷的發展可以公式化為:
公式中分母表示單元失效對應的Johnson-cook等效塑性應變，公式為：
分子表示為等效塑性應變增量，公式為：
公式中可以看到，損傷隨著塑性應變的增大不斷累積，直至材料的失效，通過損傷變量進一步與晶體材料的屈服面或者彈性性能的退化可以實現材料彈-塑-損傷的耦合模擬，當不對其進行耦合時，可以用來判斷材料的失效狀態與相關參數的關系。
參考文獻：《Crystal plasticity finite element modeling and simulation of diamond cutting of polycrystalline copper》編寫對應的材料子程序。在huang晶體塑性程序的基礎上，調用johnson-cookd損傷函數，編寫過程中，需要自定義響應的狀態變量，如等效塑性應變，等效塑性應變率，損傷變量，以及是否進行損傷單元的刪除分析。其中等效塑性應變增量的計算，通過滑移系統的分切應力與對應滑移系統剪切應變的乘積絕對值之后與等效應力的比值獲得。并最終實現損傷的表征，采用umat子程序進行編寫。
展開 