粘塑性自洽模型的案例
粘塑性自洽模型(VPSC)在復合工藝中的應用
關鍵詞：晶體塑性 VPSC織構模擬 復合工藝
本期將繼續介紹粘塑性自洽模型(VPSC)在金屬變形過程的應用。VPSC適用于各種金屬材料(如鋁合金、鋼材、鎂合金)，各種加載方式(如單向拉伸、單向壓縮、剪切、平面應變、雙向拉伸等)下的宏觀力學性能和微觀結構演化模擬，也可以針對多相金屬(如雙相鋼等)。在結合有限元軟件后，可擴展VPSC模型的模擬范圍，如扭轉、等通道擠壓及壓剪工藝等。本期將VPSC與宏觀有限元結合，以BCC材料作為研究材料，利用有限元獲取了復合工藝下的邊界條件，分別研究了單向壓縮工藝和復合工藝下的織構演化，對比了不同工藝下產生的織構區別。
圖1為建立的有限元模型及VPSC計算過程，有限元采用abaqus軟件構建，施加以壓縮及復合工藝的邊界條件后進行模擬。
(a) 有限元計算 (b) VPSC計算
圖1 模擬過程
圖2為初始材料的取向，可以看到取向呈現明顯的隨機分布。當在壓縮條件下時，材料中逐漸出現取向聚集，在應變為0.5時出現明顯的<100>//X和<111>//X的絲織構，如圖3所示。在復合工藝下，合金中的織構較為復雜，呈現弱的絲織構和明顯的剪切織構，且隨應變的增加，剪切織構越為顯著，壓縮織構明顯減弱，如圖4所示。
圖1 初始材料的織構
(a) 應變為0.3 (b) 應變為0.5
圖3 壓縮工藝下的織構
(a) 應變為0.3 (b) 應變為0.5
圖4 壓縮+剪切工藝下的織構
從圖5中可以看到，不同工藝下的相對滑移激活完全不同，在單相壓縮工藝下，(101)[1-1-1]處于有利激活位置，而復合工藝下的(101)[11-1]處于最大概率的相對激活位置。
展開 粘塑性自洽多晶體塑性模型VPSC（一）
粘塑性自洽多晶體塑性模型（Visco-plasitic Self Consistant，VPSC）是由美國Los Alamos國家實驗室的C.N. TOME 教授和R.A. Lebensohn教授聯合開發的，最早開發于20世紀90年代初期，后來經過多個版本的升級，現在已經很完善。VPSC適用于各種金屬材料（如鋁合金、鋼材、鎂合金），各種加載方式（如單向拉伸、單向壓縮、剪切、平面應變、雙向拉伸等）下的宏觀力學性能和微觀結構演化模擬，也可以針對多相金屬（如雙相鋼等）。
與宏觀本構模型不同，VPSC不僅能夠模擬變形過程中材料宏觀力學性能的演化過程，還可以同時模擬材料內部由于變形引起的織構演化過程，實現宏觀與微觀結合，從而使我們更加深刻地理解材料的變形過程。例如對于初始隨機織構的奧氏體鋼，想知道其在單向拉伸和單向壓縮加載條件下，其宏觀流動應力和微觀織構演化過程，就可以通過設置合適的參數用VPSC實現，結果如下：
圖1. 隨機織構極圖
圖2. 單向壓縮過程等效應力-等效塑性應變曲線
圖3. 單向壓縮100%時的織構
圖4. 單向拉伸過程等效應力-等效塑性應變曲線
圖5.
展開 粘塑性自洽多晶體塑性模型VPSC（二）
上一期推文中我們使用粘塑性自洽多晶體塑性模型（Visco-plasitic Self Consistant，VPSC）計算了面心立方（face centered cubic，fcc）金屬材料奧氏體鋼的單向拉伸和單向壓縮變形過程，我們看到，盡管這兩種變形模式下材料的流動應力演變過程很相近，但變形過程中織構的演變卻有很大差異。詳見如下鏈接：
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1262333
本文介紹VPSC模擬體心立方（body centered cubic，bcc）金屬材料鐵素體鋼的軋制過程。
材料初始仍設為隨機織構，其(100)、(110)和(111)極圖見圖1。在經過100%的軋制變形后，材料內部織構發生明顯變化，表現出明顯的軋制織構，見圖2。軋制過程中材料的硬化曲線見圖3，材料的初始屈服強度為180MPa，隨著變形量的增加，材料逐漸發生硬化，當應變量達到120%時，材料的強度接近320MPa，強度提高了約140MPa。圖4給出了變形過程中材料的屈服面演化情況，可見隨著變形量的增大，材料的屈服面發生明顯擴張，表現為材料發生明顯的強化。圖5給出了軋制過程中鐵素體鋼內部不同滑移模式的相對開動率情況，可以看出，{123}<111>滑移模式開動率最大，{110}<111>滑移模式開動率次之，{112}<111>滑移模式開動率最小，且隨著變形的增加，{110}<111>滑移模式開動率逐漸增大，而{112}<111>和{123}<111>滑移模式開動率逐漸降低。
圖1. 隨機織構極圖
圖2. 軋制織構極圖
圖3.
展開 粘塑性自洽多晶體塑性模型軟件（VPSC）課程培訓通知
熱忱歡迎貴公司選派研發人員參加320科技工作室舉辦的《粘塑性自洽多晶體塑性模型軟件（VPSC）課程培訓》，此次培訓將特邀具有多年授課經驗的老師主講。
一、培訓時間：
一對一線上培訓, 不受時間限制, 隨時都能參加.
二、培訓方式：
本次培訓以視頻方式授課，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：
從事VPSC相關專業工程技術人員均可報名參加。
四、培訓內容：
軟件程序介紹及使用，材料基本知識介紹，輸入輸出數據處理，使用范例等。具體如下：
1、 vpsc代碼描述
（1） 變形模擬:輸入/輸出選擇
（2） 單位、參考系及轉換
（3） 主程序代碼描述
（4） 輸入文件及代碼描述
（5） 輸出文件描述
2、 材料變形知識基礎
（1） 晶體取向簡介
（2） 歐拉角轉換基礎
（3） 織構形成與分析
（4） Vpsc中的拉、壓及軋制變形
3、 輸出文件處理
（1） 應力-應變文件處理
（2） 極圖生成
（3） 其他相關數據處理
5、 案例：
案例1：FCC軋制變形：
圖1:軋制變形后的FCC金屬極圖
案例2：FCC平面應變壓縮+剪切變形：
圖2: 平面應變壓縮+剪切變形后的FCC金屬極圖
案例3：BCC軋制變形(單滑移系)：
圖3: BCC金屬軋制變形(單滑移系)后的極圖和反極圖
案例4：BCC軋制變形(多滑移系)：
圖4: BCC金屬軋制變形(多滑移系)后的極圖和反極圖
案例5：Bcc材料在扎制變形過程中的織構及滑移系激活
六、費用及發票：
1. 教學費用：聯系客服獲取最新培訓價格.
2. 付款方式：微信，支付寶，對公轉賬等
3.
展開 
基于粘塑性自洽模型（VPSC）FCC結構金屬拉伸壓縮過程中織構的演化模擬------案例二十五
VPSC是由加州大學洛斯阿拉莫斯國家實驗室（大學）的董事會與美國能源部聯合開發全稱VISCO-PLASTIC
SELF-CONSISTENT (VPSC)
目前使用的是更新于2012年5月1日的vpsc7d，
VPSC 是用 FORTRAN 77 編寫的計算機代碼，用于模擬多晶聚集體的塑性變形。 VPSC 全稱 Visco Plastic Self Consistent，指的是特定的機械狀態 (VP) 和使用的方法 (SC)。 VPSC 是為應用于低對稱材料（六邊形、三角形、正交、三角形）而開發的，盡管它在立方材料上也表現良好。
VPSC 說明了單晶和聚集體的特性和響應的完全各向異性。它模擬了骨料在外部應變和應力作用下的塑性變形。
VPSC 基于滑移和孿晶的物理剪切機制，并考慮了晶粒相互作用效應。除了提供宏觀應力-應變響應外，它還解釋了單個晶粒的硬化、重新定向和形狀變化。
因此，它預測了與塑性成形相關的硬化和織構的演變。模擬程序可應用于金屬、金屬間化合物和地質聚集體的變形。
編譯 VPSC 時，始終使用雙精度選項
運行分析時輸入包含文件如下
1，vpsc.in（主文件）
2，TENSIN.3（邊界條件）
3，rand1000.tex（初始取向）
4，FCC.sx（單晶屬性）
運行時輸出文件
1，PCYS.OUT（屈服面信息）
2，STR_STR.OUT（應力應變信息）
3, TEX_PHn.OUT（變形結束后取向信息）
官方案例學習
輸入
1，具有
500 個方向的隨機紋理文件（文件 RAND500.TEX）
2，考慮12組滑移系，無硬化的FCC晶體，率相關系數n=20
3，沿著X3方向單向拉伸100%（施加速度梯度分量）
晶粒初始取向分布
拉伸情況取向分布
（affine方法）
（FC方法）
（SEC方法）
展開 基于粘塑性自洽模型（VPSC）HCP(AZ31B)結構金屬拉伸壓縮過程中織構的演化與應力應變響應模擬
運行分析時輸入包含文件如下
1，vpsc.in（主文件）
2，TENSIN.3（邊界條件）
3，rand1000.tex（初始取向）
4，AZ31b.sx（單晶屬性）
運行時輸出文件
1，PCYS.OUT（屈服面信息）
2，STR_STR.OUT（應力應變信息）
3, TEX_PHn.OUT（變形結束后取向信息）
輸入
1，具有
1944 個方向的基底織構特征取向文件（文件 RAND1944.TEX）
2，考慮IJP文章選擇合理的材料參數，本案例共有3組滑移系（分別是Prismatic，Basal，Pyramidal 〈c + a〉，）+一個拉伸孿晶系統（拉伸孿晶系統）
材料參數如圖所示：
一，拉伸變形模擬（50%Z方向拉伸）（affine方法）
晶粒初始取向分布
變形結束后晶體取向分布
拉伸過程中滑移系開動情況
二，壓縮變形模擬（50%Z方向壓縮）
晶粒初始取向分布
變形結束后晶體取向分布
壓縮過程中滑移系開動情況
三，平面應變壓縮模擬（50%Z方向軋制）
晶粒初始取向分布
變形結束后晶體取向分布
平面應變壓縮過程中滑移系開動情況
變形過程中的等效應力應變響應
展開 基于粘塑性自恰模型（VPSC）的鈦合金拉伸壓縮織構演變模擬
作者：辭殤
關鍵詞：VPSC；鈦合金；拉伸壓縮；織構演變
粘塑性自恰（VPSC）模型，區別與宏觀本構模型，VPSC模型不僅能夠模擬變形過程中材料宏觀力學性能的演化過程，還可以同時模擬材料內部由于變形引起的織構演化過程，實現宏觀與細觀結合，從而使我們更加深刻地理解材料的變形過程。
本文使用VPSC計算HCP金屬鈦合金的單軸拉伸和單軸壓縮變形過程，實現鈦合金拉伸壓縮過程中的應力應變、織構演變以及滑移孿晶變形機制啟動情況的預測，VPSC程序模擬過程如圖1所示。
圖1 VPSC程序模擬過程圖
VPSC模擬的材料初始極圖由程序隨機生成，其極圖如圖2，可見初始狀態表現為隨機織構，極密度最大值為1.4。在經過25%的拉伸以及壓縮變形后，材料內部織構發生明顯變化，表現出織構特征。圖3所示為單軸拉伸后的織構極圖，圖4所示為單軸壓縮后的織構極圖。
圖2 初始隨機織構極圖
圖3 單軸拉伸織構極圖
圖4 單軸壓縮織構極圖
圖5所示為單軸拉伸過程中的應力應變曲線，圖6所示為單軸壓縮過程中的應力應變曲線。可以看到，由于HCP金屬鈦合金的各向異性導致兩種變形模式下材料的流動應力演變過程以及變形過程中織構的演變有很大差異。
圖5 單軸拉伸應力應變曲線 圖6 單軸壓縮應力應變曲線
圖7所示為VPSC預測的單軸拉伸過程中變形機制相對活性。可以看出，柱面滑移的活性急劇下降至最低點并且之后幾乎為零，基面滑移和錐面滑移占據主導地位，二者的活性隨著變形量的增加持續上升至最大值，拉伸孿晶和壓縮孿晶的活性呈現先緩慢上升又緩慢下降的變化趨勢。
圖8所示為VPSC預測的單軸壓縮過程中變形機制相對活性。
展開 vpsc8.0內置繪制極圖和反極圖的軟件POLE8d介紹
在新版的粘塑性自洽晶體塑性模型vpsc8.0中，除了常規的本構模型升級之外，軟件作者同時開源一個用于取向分布繪制的軟件POLE8d，筆者發現使用改軟件繪制的極圖和反極圖與aztex，mtex的常用的極圖繪制軟件相比，其風格更加簡潔，清晰。對于使用粘塑性自洽模型和晶體塑性模型均可以完成對應的極圖和反極圖繪制。其常見的極圖和反極圖風格如下面圖片所示：
因此這里對其使用進行簡單介紹:
該軟件的位置在vpsc8.0壓縮包例子15之下
打開后包含如下文件：
包含說明書和8個使用案例介紹，首先對pole8.for這個主文件進行編譯，編譯可以在Ubuntu里面或者在win里面進行編譯。
編譯完成后生成exe克執行文件
datasx包含了單晶的晶格相關信息，用于讀取和繪制極圖（包含了大部分的金屬晶格）
pole8.IN是主文件，包含tex取向文件和晶格.sx文件的位置說明，保證這三個文件位于同一個工作目錄之下，并循行exe文件。運行結束后生成如下文件：
其中plt文件包含了其他文件。之后使用gnuplot對.DUMMY.plt進行繪圖即可完成極圖和反極圖的繪制，格式為.eps。
以軟件的案例一為例,FCC結構的平面應變壓縮極圖如下：
感興趣的小伙伴可以下載該繪制極圖的軟件進行使用。
展開 基于VPSC 8.0的密排六方金屬Zr的塑性變形過程模擬
寫在最后：VPSC8在VPSC7的基礎上改進了許多模型及語法，對多晶體的塑性變形過程模擬更為精確，應用更為廣泛，并且其收斂性更強，更有利于大尺寸材料的塑性變形模擬。
相關培訓:
粘塑性自洽多晶體塑性模型軟件（VPSC）課程培訓通知
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vpsc-vumat子程序的開發與應用文章推薦
原始文獻：《A multiscale simulation framework of the accumulative roll bonding process accounting for texture evolution》
DOI：10.1016/j.msea.2015.02.005
在金屬材料研究領域，粘塑性自洽模型（Visco-Plastic Self-Consistent, VPSC） 是研究織構演變與力學響應的經典之作。不同于簡單的 Taylor 模型（假設所有晶粒應變相同）或 Sachs 模型（假設應力相同），VPSC 將每個晶粒視為嵌入在“等效介質”中的橢球夾雜。它巧妙地平衡了晶粒間的應力與應變分配，既考慮了晶粒形貌的影響，也能精確捕捉由于晶體轉動引起的織構演變。
對于從事鋁合金、鎂合金等具有顯著各向異性材料研究的同學來說，VPSC是預測材料在復雜加工路徑下表現的有力工具。然而，原生的 VPSC 通常是針對均勻變形設計的，面對實際工程中復雜的幾何邊界和非均勻變形（如軋制、沖壓），它需要一個更強大的載體。
Abaqus 作為有限元分析（FEA）的標桿，擅長處理復雜的邊界條件和幾何接觸。將 VPSC 以 VUMAT（用戶材料子程序） 的形式集成進 Abaqus，能實現“1+1 > 2”的效果，例如宏微觀耦合： 每一個有限元積分點都代表一個多晶集合。有限元計算宏觀應變，VPSC 在微觀層面計算晶體旋轉和硬化，再反饋回宏觀應力。非均勻場預測：你不僅能看到工件的整體變形，還能清晰地觀察到厚度方向、圓周方向上織構分布的異質性。復雜工藝仿真： 只有融入有限元，才能真正模擬非對稱軋制等具有復雜應力狀態的工藝。
今天推薦的是Prakash 等人在 Materials Science & Engineering A 上發表的經典論文。
展開 基于VPSC模擬FCC金屬等通道轉角擠壓(ECAE)工藝
在之前的推文中我們使用粘塑性自洽多晶體塑性模型（Visco-plasitic Self Consistant，VPSC）計算了面心立方（fcc）、體心立方（bcc）金屬材料變形過程，實現了織構演變的模擬，應力預測等。本文將介紹VPSC模擬FCC金屬等通道轉角擠壓(ECAE)工藝。等通道轉角擠壓是將多晶試樣壓入一個特別設計的模具中以實現大變形量的剪切變形工藝，主要通過變形過程中的近乎純剪切作用,使材料的晶粒得到細化, 從而材料的機械和物理性能得到顯著改善。等通道轉角擠壓是一種有效的制備超細晶材料的方法。
本處粘塑性自洽多晶體塑性模擬的材料初始取向由程序隨機生成，其(100)、(110)和(111)極圖見圖1，可見初始狀態表現為隨機取向，極密度最大值為1.5。變形過程強加100%的剪切應變，步長為0.2，共50步，用4個過程來描述整個等通道轉角擠壓的變形工藝流程，如圖2，在VPSC模擬中，擠出、擠入、模具的流動軸分別為設置為軸1、2、3。
圖1. 初始隨機織構極圖
ECAE通過90o模反復擠壓樣品,在每道工序中，大約100%的剪切應變被施加，其優點是試樣的截面保持不變，這一過程旨在大幅度減小晶粒尺寸，在保證塑性同時提高屈服應力，模擬結果如下：
(a) ECAE1
(b) 90°CW
(c) 90°CW
(d) ECAE2
圖2 等通道轉角擠壓過程織構模擬結果
從模擬結果可以看到，經過等通道轉角擠壓后的FCC金屬產生了明顯的擇優取向-變形織構，其最大強度為5.5。
最后,有VPSC培訓等相關需求歡迎聯系我們.
VPSC培訓
公眾號:320科技工作室
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VPSC 8.0 新版本使用介紹
粘塑性自洽多晶體塑性模型（Visco-plasitic Self Consistant，VPSC）是由美國Los Alamos國家實驗室的C.N. TOME 教授和R.A. Lebensohn教授聯合開發的，最早開發于20世紀90年代初期，后來經過多個版本的升級，現在已經很完善。
VPSC是一種基于晶體塑性學理論的數值模擬工具，主要用于預測和模擬多晶金屬材料在復雜應變條件下的宏觀塑性變形行為和微觀結構演化過程。VPSC主要應用在以下幾個方面：
材料設計和優化：VPSC可以通過模擬和預測材料的力學性能和微觀結構，為材料設計和優化提供有力的支持和指導。
材料加工和制備：VPSC可以通過模擬和預測材料的變形行為和微觀結構演化過程，為材料加工和制備提供有力的工具和支持。
材料損傷和失效：VPSC可以通過模擬和預測材料的塑性變形行為和微觀結構演化過程，為材料損傷和失效機理的研究提供有力的工具和支持。
材料表征和測試：VPSC可以通過模擬和預測材料的力學性能和微觀結構，為材料表征和測試提供有力的參考和驗證。
總的來說，VPSC在材料科學和工程領域的應用非常廣泛，為理解和掌握材料的力學性能和微觀結構演化機制提供了重要的工具和支持。
VPSC 8作為VPSC的最新版本，于2020年發布。VPSC 8相比于7d版本具有以下特點：
計算速度：VPSC 8相比VPSC 7d在計算速度上有了很大的提升，可以大幅縮短計算時間。
計算能力：VPSC 8引入了一些新的本構模型和可視化工具，擴展了VPSC軟件的應用范圍和計算能力。
可擴展性：VPSC 8具有更好的可擴展性，可以在多核處理器和GPU上進行并行計算，提高計算效率。
界面和文檔：VPSC 8提供了更為友好的界面和詳細的文檔，方便用戶學習和使用。
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