塑性變形與軋制原理的案例
Ls-dyna作軋制過程的剛塑性分析和彈塑性分析
剛塑性有限元和彈塑性有限元分析方法不同，Ls-dyna作軋制過程的剛塑性分析和彈塑性分析時，怎么設置才能分別作剛塑性分析和彈塑性分析，還是與所選擇的模型有關？Ls-dyna中只有彈塑性材料模型，沒有剛塑性材料模型？
初用Ls-dyna作軋制分析，若提問有誤敬請諒解、指正，謝謝。
固體塑性變形—細觀塑性力學 附塑性力學同濟大學下載
細觀塑性力學(mesoplasticity)
研究材料細觀結構對載荷的響應、演化和失效機理，以及細觀結構對材料宏觀性能的影響的一門新興學科，是材料科學與固體力學緊密結合的產物。
20世紀70年代以來，材料工藝及制造技術突飛猛進。材料設計、加工及精密制造技術已成為一個定量及嚴密的學科，其中發展最為關鍵的一環就是對工程材料的力學性能的認識不斷提高。工程材料的加工是通過塑性變形(如壓力加工和精密切削)進行的。人們研究塑性變形的途徑可分為兩大類：一類是以傳統力學為基礎的唯象理論，強調解決問題的數學表達和邊界解，被稱為宏觀塑性力學；另一類是以物理學為基礎的微觀理論，研究材料真實塑性變形的微觀機理與力學性能(如屈服強度、硬度)之間的相互聯系，被稱為微觀塑性力學。多年來它們在各自領域內發展。
固體塑性變形可以從尺寸量級上分類(見表)，德魯克(D．C．Drucker)對這方面做了討論。表中列出了不同尺寸量級的研究對象以及相應的學科。從表中可以看出，不同學科所關心的研究對象的尺度相差很大，互不相容，但大體可以分為微觀和細觀以及宏觀兩個尺寸范圍。
固體塑性變形的分類
傳統計算力學以“連續介質”假設為基礎，用唯象理論的方法研究并建立了各類材料的本構關系，由此導出了固體力學各類問題的基本方程，建立了相應的解析和數值解法。然而，唯象理論在大應變、高應變速率、非比率加載、率相關、溫度敏感以及晶界效應等問題前遇到了難于逾越的障礙。大量事實表明，材料的力學性質對微觀結構是敏感的。
微觀塑性力學基礎建立于位錯理論，通過位錯運動和晶格其他缺陷來解釋材料的基本性能。由于研究的對象是位錯及晶體缺陷，只能通過電子顯微鏡來觀察，觀察范圍非常細小且研制費時，不適于作為工業生產上質量控制的評定指標。
展開 ANSYS Workbench——大變形和塑性變形
大變形.pdf
金屬塑性.pdf
ANSYS Workbench——大變形和塑性變形
[forum.simwe.com]金屬塑性.pdf
[forum.simwe.com]大變形.pdf
棒材切分軋制過程中三維彈塑性有限元模擬.pdf
棒材切分軋制過程中三維彈塑性有限元模擬.pdf
基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化------案例十五 ￥199
? 基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化
案例實操
1，基于dream3d管道生成長寬高為32*32*32的多晶模型，共包含322個晶粒
2，對于fcc，bcc材料分別施加工程應變為50%的拉伸和壓縮載荷
3，得到材料的應力應變曲線和變形后的取向分布情況
材料的初始取向分布
初始的晶體幾何模型
拉伸變形后材料的等效應力分情況
拉伸變形后等效塑性應變分布情況
拉伸變形后的取向分布
模型的應力應變曲線
壓縮變形后等效應力分布情況
壓縮變形后等效塑性應變分布情況
壓縮變形后的取向分布
平面應變壓縮變形后應力分布
平面應變壓縮變形后等效塑性應變分布
平面應變壓縮的取向分布（相比于vpsc軋制織構不明顯）
展開 Abaqus調用damask實現軋制變形中FCC，BCC織構演化分析------案例六
Abaqus調用damask實現軋制變形中FCC，BCC織構演化分析
案例實操一
1，使用abaqus建立20*20*20（mm）的立方塊
2，對立方塊進行單元劃分共包含1000個單元
3，假設每個單元代表一個單獨的晶粒，通過腳本隨機賦予每個單元材料屬性
4，施加對應的邊界提交（60%的下壓量）
5，提交與后處理材料數據
包含1000個晶粒的有限元模型
材料的初始取向分布
FCC軋制后的取向分布情況
BCC軋制后的取向分布情況
螺栓連接的彈塑性變形分析 附線性隨動強化彈塑性理論基礎下載
1、真應力-真應變
工程和真實應力應變：
工程應力-應變用于小應變分析，但對于塑性必須用真實應力-應變，因為它們是材料狀態更具代表性的度量。
如果引入工程應力-應變數據，則可以用下面的公式把這些值轉換為真實應力-應變：
注意，僅對應力轉換，有以下假設:
材料是不可壓縮的 (大應變可接受的近似值)假設試樣橫截面的應力均勻分布。
2、彈塑性常用模型
1）屈服準則：
屈服準則用于把多軸應力狀態和單軸情況聯系起來。
試樣的拉伸實驗提供單軸數據，可以繪制成一維應力-應變曲線，已在前面介紹過。
實際結構一般是多軸應力狀態。屈服準則提供材料應力狀態的標量不變量，可以和單軸情況對比。
2）常用的屈服準則是von Mises 屈服準則 (也稱為八面體剪切應力或 變形能準則)。von Mises 等效應力定義為：
寫成矩陣形式
式中{s} 是偏差應力，sm 是靜水應力
關聯流動：
– 塑性流動方向與屈服面的外法線方向相同。
非關聯流動:
– 對摩擦材料，通常需要非關聯流動法則 (在 Drucker-Prager 模型中， 剪脹角與內摩擦角不同)。
強化準則:
? 強化準則描述屈服面如何隨塑性變形的結果而變化 (大小、中心、 形狀)。
? 強化準則決定如果繼續加載或卸載, 材料將何時再次屈服。
– 這與呈現無硬化– 即屈服面保持固定的彈性-理想塑性材料完全不同。
? 等向強化 指屈服面在塑性流動期間均勻擴張。 ‘等向’ 一詞指屈服面的均勻擴張，和 ‘各向同性’ 屈服準則(即材料取向)不同。
等向強化適用于大應變、比例加載情況。不適與循環加載。
展開 金屬材料的塑性變形
來源：材易通
煤層鉆孔周圍塑性變形 ￥100
使用摩爾—庫倫準側匹配的DP屈服準則，來作為煤體的失效判據，來研究鉆孔附近塑性區域范圍，以及滲透率變化，本案例供做水力沖孔模型的朋友參考。如需要，請聯系1045343728。
模型結果如下：
等效塑性變形
塑性區域
鉆孔周圍滲透率比值變化
鉆孔周圍內聚力變化
ANSYS WORKBENCH大變形與彈塑性
ANSYS WORKBENCH大變形與彈塑性
機器學習晶體塑性變形
實驗證明，微米級晶體通過一系列廣泛分布的應變脈沖塑性變形，直接顯示為階梯式應力-應變曲線中的臺階。形變爆發具有明顯的隨機性，通常以冪律大小分布，這導致了應力-應變響應在樣品間的顯著變異性。另一方面，位錯的動力學—介導塑性變形過程的晶格的拓撲缺陷，在很大程度上應該是確定的。在第一個近似中，它們的運動遵循一個確定的移動規律，即Peach–Koehler與瞬時位錯速度之間的關系。因此，給定樣品的形變過程的細節原則上編碼在初始狀態的特征中，即晶體內預先存在的位錯網絡。給定初始位錯配置的完整表征，可以從位錯的運動的確定性方程求解動力學。關鍵問題是，初始狀態的粗粒度描述符在多大程度上足以預測隨后的突發變形動力學？以及明顯的隨機應變突發對變形可預測性的作用是什么？
【成果簡介】
近日，芬蘭阿爾托大學Lasse Laurson教授通過采用機器學習技術，如回歸神經網絡和支持向量機，表明變形可預測性隨應變和晶體尺寸而改變。利用來自離散位錯動力學模擬的數據，訓練機器學習模型以推斷從預先存在的位錯配置的特征到應力-應變曲線的映射。可預測性與應變關系是非單調的并且表現出系統尺寸效應：較大的系統更具有可預測性。隨機變形雪崩引起了中間應變變形可預測性的基本限制。更令人驚奇的是，樣品的大應變變形動力學也可以很好地預測。該成果近日以題為“Machine learning plastic deformation of crystals”發表在知名期刊Nat. Commun.上。
展開 塑性變形對組織性能的影響
塑性變形對金屬組織結構的影響
（1）晶粒發生變形 金屬發生塑性變形后,晶粒沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時, 晶粒變成細條狀(拉伸時), 金屬中的夾雜物也被拉長, 形成纖維組織。
2）亞結構形成金屬經大的塑性變形時, 由于位錯的密度增大和發生交互作用, 大量位錯堆積在局部地區, 并相互纏結, 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊, 而在晶粒內產生亞晶粒。
（3）形變織構產生 金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時, 由于晶粒發生轉動, 使各晶粒的位向趨近于一致, 形成特殊的擇優取向, 這種有序化的結構叫做形變織構。形變織構一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 稱為絲織構, 例如低碳鋼經高度冷拔后, 其<100>平行于拔絲方向; 另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向, 稱為板織構, 低碳鋼的板織構為{001}<110>。
2. 塑性變形對金屬性能的影響
（1）形變強化 金屬發生塑性變形, 隨變形度的增大, 金屬的強度和硬度顯著提高, 塑性和韌性明顯下降。這種現象稱為加工硬化, 也叫形變強化。產生加工硬化的原因是：金屬發生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結, 造成位錯運動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化, 使強度得以提高。在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。
（2）產生各向異性 由于纖維組織和形變織構的形成, 使金屬的性能產生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構的板材沖制筒形零件時, 即由于在不同方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現“制耳”。 在某些情況下, 織構的各向異性也有好處。
展開 晶體塑性模擬中的大變形網格重劃分
參考文獻《Large-deformation crystal plasticity simulation of microstructure and microtexture evolution through adaptive remeshing》
在我們進行大變形晶體塑性時，做到后期，最常見的“翻車點”不是本構收斂性問題，而是網格畸變：單元被壓扁/拉長后，數值誤差會明顯放大，輕則結果不準，重則直接不收斂、崩潰（segfault/迭代發散），尤其在局部化或剪切帶發展階段更明顯。
我們常見的處理方案主要是：
ALE（任意拉格朗日-歐拉）
網格可以“跟著材料走一部分”，同時又能做平滑/重分布，緩解畸變，適合大變形且邊界變化不太極端的場景。
CEL（耦合歐拉-拉格朗日）
材料在歐拉網格里“流動”，網格畸變問題大幅減輕，適合極端變形、沖擊、擠壓、材料流動這類問題，但材料界面追蹤、歷史變量攜帶更復雜。
重劃分 Remeshing + 狀態變量映射（最通用）
當網格畸變到閾值，換一張“干凈網格”，把舊網格的歷史狀態（取向、硬化、位錯密度等）映射到新網格繼續算——這是很多晶體塑性/微觀模擬里最常用的工程化路線。
在這個IJP文章里面：Sedighiani（IJ Plasticity 2021）的做法很直接：1，對新網格每個積分點，在舊網格里按歐氏距離找最近鄰點，建立對應關系；2，然后把需要繼承的變量從舊點“搬到”新點；同時對與形變/取向強耦合的量做一致性處理（比如通過處理 FFF、FpF_pFp、取向矩陣來保證重啟后不引入不合理的應力突跳）。
展開 顯式晶體塑性大變形模擬案例
顯式模擬的顯著優勢就是在大變形接觸方面，通過大變形測試顯式晶體塑性計算效率。共包含兩個案例。
案例一：包含1000個晶粒20萬單元在工程應變30%情況下，多晶變形模擬的結果。其中初始取向隨機，采用質量縮放加快求解效率，模擬采用經典的唯象模型，硬化基于Voce硬化定律（Vpsc應用的硬化）（可以考慮初始的高應變硬化以及后期的低應變硬化）。模擬材料為鎳基高溫合金，參數取自文獻。Voce硬化公式為
初始幾何模型根據Neper生成（晶體取向隨機），模型如下：
模擬計算時間如下（大約2小時）：
模擬結果如下:
應變分布情況
應力分布情況
變形之后取向分布
應力應變響應
案例二：包含500個晶粒10萬單元的小球沖擊模擬，檢驗程序在接觸方面的穩定性。
其中板使用晶粒模型，小球使用純彈性模型，并約束為剛體，通過給小球施加位移邊界，建立小球與板的沖擊。
幾何模型如下：
計算耗時30分鐘，模擬結果如下
應變分布情況
應力分布情況
可見在使用顯式晶體塑性模擬大變形和接觸問題時較為合適，可以避免收斂性問題，但使用質量縮放要注意動能和總能量比值在合理的范圍，模擬中檢測法線，相同參數情況下，顯式結果與隱式結果在變形達到50%工程應變時，兩者的分布幾乎一致。因此模型結果可以確認為合理。
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