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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(wǎng)頁排版有亂碼，建議下載附件pdf查看晶體取向是材料學(xué)科中的重要分支，當(dāng)晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向時，則導(dǎo)致材料性能（力學(xué)，物理和化學(xué)性能）的各向異性。

因此，顯式有限元計算程序非常適合由多個處理器分解和求解。考慮到這一點，VUMAT是用矢量化接口構(gòu)建的。在每次增量開始時，應(yīng)力和狀態(tài)變量數(shù)據(jù)以二維陣列的形式傳入。陣列中的每一列都包含與材料的積分點相關(guān)的信息。當(dāng)使用多個處理器執(zhí)行模擬時，可以將分析數(shù)據(jù)拆分為塊并獨立求解。因此，在子程序的編寫中保留了矢量化，以便可以實現(xiàn)最佳的處理器并行化。

應(yīng)力共軛與本構(gòu)更新 為了保證能量守恒，文章在晶體本地坐標(biāo)系下采用 Mandel 應(yīng)力作為滑移驅(qū)動力，并配合隱式時間積分更新塑性變形梯度。文章的模擬效果如下：需要注意的是當(dāng)前的這代積分方案和damask的快速傅里葉變化方案計算效果基本保持一致，整體也是使用fortran語言編寫，并使用vtk格式用于輸出，使用paraview可視化。

γ-TiAl多晶體壓縮變形機(jī)制的晶體塑性有限元研究純鈦單道次ECAP變形織構(gòu)演化的細(xì)觀有限元模擬純鈦晶體塑性力學(xué)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(gòu)研究鈦合金雙態(tài)組織高溫拉伸行為的晶體塑性有限元研究

簡單來說，如果入射晶粒中的滑移方向和相鄰晶粒中的某個出射滑移方向比較匹配，同時兩側(cè)滑移面在晶界上的跡線也比較匹配，那么這個晶界對該滑移系就是“比較通透”的；反之，它就更像一個強(qiáng)障礙。于是，晶界不再只是一個統(tǒng)一的強(qiáng)化層，而變成了一個和晶界取向、兩側(cè)晶粒取向、入射滑移系、出射滑移系都有關(guān)的局部障礙。這個思想非常適合和晶體塑性模型結(jié)合，因為晶體塑性本來就是逐滑移系計算的。

Custom450鋼是17－4PH不銹鋼的第2代改型，屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有良好的耐蝕性、高強(qiáng)度以及良好的加工特性，這類材料在服役過程中往往承受著高速動態(tài)載荷。而研究微細(xì)觀尺度的變形不均勻性是新材料開發(fā)及優(yōu)選的重要準(zhǔn)則，晶體塑性有限元方法將晶體塑性理論和有限元軟件進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)娜诤希蔀檠芯考?xì)觀層次塑性變形行為的強(qiáng)有力工具。

umat與uexternal之間的變量調(diào)用（用于晶體塑性有限元中的析出物定義或再結(jié)晶）

Damask2.0.3版本是最后一個和Abaqus有接口的版本，在Damask2.0.3的官網(wǎng)中已經(jīng)進(jìn)行了聲明，目前最新的版本已經(jīng)不支持和Abaqus聯(lián)合使用。但是Damask和abaqus聯(lián)合使用仍然是學(xué)習(xí)晶體塑性有限元方法不錯的工具。我曾使用過Abaqus聯(lián)合damask平臺，這里我對使用過程中個人的一點經(jīng)驗進(jìn)行簡單的介紹，希望各位讀者在研究過程中少一些技術(shù)上的障礙。

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(jī)制。

作者結(jié)合fcc晶體材料滑移系和孿生系的晶體學(xué)特征，根據(jù)前人對Cu的研究結(jié)果，最終得出晶體塑性模型Cu單晶材料參數(shù)。建立如圖1所示的Cu單晶CPFE模型。圖1 Cu單晶拉伸過程的晶體塑性有限元模型示意圖 為了驗證上述CPFE模型的可靠性，圖2給出了Cu單晶沿不同取向拉伸過程的力學(xué)響應(yīng)模擬及實驗結(jié)果的對比情況。可以看出，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。

作者通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)合金不同，實驗和模擬表明MPEAs中不同的原子類型會導(dǎo)致較大的原子晶格畸變來控制力學(xué)性能。在細(xì)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(xì)觀變形機(jī)制，在描述基于微觀結(jié)構(gòu)演化的材料塑性行為方面具有明顯的優(yōu)勢。

在晶體塑性問題中，變形由多個屈服面定義，這些屈服面不平滑相交，屈服函數(shù)的數(shù)量取決于晶體中滑移系的數(shù)量。

但實際金屬材料并不是“均勻黑箱”：晶粒取向、滑移系激活、織構(gòu)演化都會影響局部塑性變形，尤其在薄壁管壓潰這類大變形、強(qiáng)局部化問題中，微觀結(jié)構(gòu)可能對吸能行為產(chǎn)生重要影響。

黃永剛院士編寫的單晶晶體塑性UMAT，主要用于在Abaqus有限元仿真中進(jìn)行單晶及多晶晶體塑性變形的計算，是許多科研工作者學(xué)習(xí)晶體塑性模擬的教學(xué)資源。可以在其基礎(chǔ)上對硬化模型進(jìn)行修改，甚至引入損傷。UMAT主要應(yīng)用于隱式分析，而對于大變形接觸問題，隱式分析往往計算效率較低。

因此，總變形梯度被分解為彈性/剛體轉(zhuǎn)動部分、熱變形部分和塑性變形部分。在本構(gòu)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(guān)塑性流動。

有限元的理論發(fā)展了幾十年已經(jīng)相當(dāng)成熟，商用有限元軟件同樣也是采用這些成熟的有限元理論，只是在實際應(yīng)用過程中，商用CAE軟件在傳統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上會做相應(yīng)的修正以解決工程中遇到的不同問題，且各家軟件的修正方法都不一樣，每個主流商用軟件手冊中都會注明各個單元的理論采用了哪種理論公式，但都只是提一下用什么方法修正，很多沒有具體的實現(xiàn)公式。

在FCC晶體中，有12種滑移系統(tǒng)可能在塑性變形過程中被激活 通常，樣品的晶體學(xué)和應(yīng)力狀態(tài)是決定滑移系統(tǒng)是否活躍的主要因素。試驗過程中試樣所經(jīng)歷的塑性來自于激活滑移系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。臨界分辨剪切應(yīng)力是確定晶體滑移開始的標(biāo)準(zhǔn)，而FCC金屬材料塑性變形主要由位錯滑移貢獻(xiàn)。以位錯為內(nèi)變量的本構(gòu)方程可以對多晶材料的塑性變形做出更加物理的描述和預(yù)測，并與微尺度的實驗進(jìn)行對比分析。