一种多晶晶体塑性本构参数快速标定方法技术

本发明专利技术公开了一种多晶晶体塑性本构参数快速标定方法，其步骤为：对金属材料进行EBSD表征；建立

【技术实现步骤摘要】
一种多晶晶体塑性本构参数快速标定方法


[0001]本专利技术涉及一种多晶晶体塑性本构模型参数快速标定方法，属于结构强度及有限元数值模拟领域。

技术介绍

[0002]随着先进的实验表征手段和计算方法的快速发展，多尺度模拟被广泛应用于工程材料变形和失效机理的深入研究，并进一步促进高强度和高疲劳抗力材料的设计研发，以及高精度结构完整性评估方法的建立。晶粒尺度的晶体塑性有限元模拟作为连接微纳米尺度的位错运动和宏观塑性变形的桥梁，成为研究金属材料细观变形失效机理的有力工具。
[0003]对于晶体塑性有限元模拟，准确标定本构参数是保证仿真结果有效的前提。对于单晶金属材料，晶体塑性本构参数标定已经有较多的研究，可以通过拟合不同晶粒取向的单轴拉伸、蠕变、低周疲劳试验数据实现，如专利CN 113125275 A。此外，单晶材料可以使用一个有限元单元即可表现其宏观各向异性的特性，因此有限元迭代优化消耗很小。而对于多晶有限元模型，由多个晶粒组合而成，其宏观力学性能为多晶有限元模型中各个晶粒的平均，因此多晶模型通常需要包含足够多的晶粒数目，使其力学性能具有代表性。文献中较为常见的标定多晶本构参数方法，是通过2D或者3D Voronoi模型实现的。对于2D Vorinoi模型，网格较少，具有较小的计算消耗，但是由于引入平面应变假设，无法反映材料在宏观上的真实力学响应，如具有显著织构特征的材料在不同取向具有较大的力学性能差异；而对于3D Voronoi模型，能够通过控制晶粒中心点的分布实现统计上晶粒尺寸分布与真实材料一致，同时通过引入真实材料的择优取向，考虑材料的织构特征，可以较好的反映材料的力学响应特征，但是由此导致有限元模型包含较多的网格单元，计算量显著增加，导致传统的优化工具计算消耗巨大，本构参数标定过程周期很长。因此，需要新的高效标定方法，降低计算消耗，提高标定效率。

技术实现思路

[0004]为了解决上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种基于体素立方等效代表体积单元的多晶晶体塑性本构参数标定方法，该标定方法既能够充分考虑材料细观特性，又能显著降低计算消耗，并结合优化算法实现本构参数的自动标定。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种多晶晶体塑性本构参数标定方法，包括以下步骤：
[0007](1)对研究的金属材料进行EBSD表征，获取其晶粒尺寸统计分布以及织构特征；
[0008](2)建立包含512个晶粒的立方体素多晶几何模型，并借助Python脚本批量建立集合并赋予本构参数及晶粒取向；
[0009](3)使用FORTRAN77编写晶体塑性本构模型子程序UMAT；
[0010](4)借助Python脚本，自动识别对应面对应网格节点，并建立节点自由度Equation约束关系，施加周期性边界条件；
[0011](5)提取多晶模型控制点力
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位移计算结果，并换算至应力
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应变关系，同时将试样应力
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应变/应力
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时间数据插值至计算数据点；
[0012](6)使用单轴拉伸和疲劳试验应力
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应变/应力
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时间数据标定弹性、率相关、随动硬化和临界分剪切应力相关本构参数，以单轴拉伸和疲劳试验与模拟拟应力
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应变/应力
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时间数据点的差值平方和为优化目标，采用Hook
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Jeeves优化算法迭代优化；
[0013](7)由迭代算法调整本构参数，借助Python脚本更新有限元模型材料参数，优化至允许迭代次数内目标函数最小。
[0014]所述步骤(1)中，对于所研究的金属材料进行EBSD表征，选取400μm*400μm的表征区域以获得其典型晶粒尺寸分布以及织构特征。
[0015]所述步骤(2)和(4)中，分别使用Python脚本，读取EBSD表征获得的晶粒取向数据，实现材料本构参数和晶粒取向的批量赋予和相对面上相对节点间的Equation约束关系批量施加。
[0016]所述步骤(5)和(6)中，开展所研究温度下的材料的标准单轴拉伸和低周疲劳实验；对于650℃下具有率相关特性的材料，则开展不同拉伸速率下的单轴拉伸试验或者拉伸保载试验，通过优化试验和模拟数据点间的差值的平方和。
[0017]所述步骤(6)中，设置单轴拉伸应力应变曲线、疲劳第一周拉压循环疲劳迟滞回线和循环应力峰值曲线的权重系数皆为1，采用Hook
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Jeeves优化算法进行迭代优化，直至目标函数优化至最小值或者达到最大迭代次数。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术能够充分考虑材料的织构特征和三维宏观力学应力应变响应特征，同时显著降低有限元模型单元数量及计算消耗，缩短优化周期，实现了多晶晶体塑性本构参数的快速标定。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的实施流程图；
[0021]图2a为某型镍基高温合金沿x轴的反极图；
[0022]图2b为晶粒尺寸统计分布图；
[0023]图3a为包含512个晶粒的立方体素多晶模型图；
[0024]图3b为沿x轴的晶粒取向反极图；
[0025]图4为不同网格密度立方体素多晶模型：1*1*1，2*2*2，3*3*3和4*4*4网格图；
[0026]图5为Dream.3D生成的变晶粒尺寸代表性体积单元图；
[0027]图6为不同网格密度单轴应力应变响应图；
[0028]图7为不同模型计算时间消耗对比图；
[0029]图8a为第一循环周次应力应变迟滞回线对比图；
[0030]图8b为第一循环周次应力时间曲线对比图；
[0031]图9a为稳定循环周次应力应变迟滞回线对比图；
[0032]图9b为稳定循环周次应力时间曲线对比图。
具体实施方式
[0033]下面结合说明书附图对本专利技术技术方案做更进一步的说明。
[0034]实施例1
[0035]本专利技术一种多晶晶体塑性本构模型参数快速标定方法的实施流程图如图1所示，包括如下步骤：
[0036](1)针对某型镍基合金材料，从盘状坯料中心组织均匀处切取直径6mm高度3mm的圆柱形金相试样，砂纸打磨及SiO2抛光液抛光后，使用Kailing试剂腐蚀出晶界，并使用光镜观测，初步估计晶粒尺寸。依据测量的晶粒尺寸，选取平均晶粒尺寸1/20的扫描步长和400μm*400μm的扫描区域进行EBSD表征，以包含足够多的晶粒数目，获取其晶粒尺寸统计分布以及织构特征，如图2a和图2b所示。
[0037](2)在ABAQUS中建立8*8*8共512个立方多晶几何模型，如图3a所示，使用Python脚本为每个晶粒建立集合并相应编号。读取由EBSD表征获得的取向欧拉角数据，使用欧拉角的旋转变换计算两对整体坐标系和晶体坐标系下的非平行矢量组，以定义晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多晶晶体塑性本构参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对研究的金属材料进行EBSD表征，获取其晶粒尺寸统计分布以及织构特征；(2)建立包含512个晶粒的立方体素多晶几何模型，并借助Python脚本批量建立集合并赋予本构参数及晶粒取向；(3)使用FORTRAN77编写晶体塑性本构模型子程序UMAT；(4)借助Python脚本，自动识别对应面对应网格节点，并建立节点自由度Equation约束关系，施加周期性边界条件；(5)提取多晶模型控制点力
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位移计算结果，并换算至应力
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应变关系，同时将试样应力
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应变/应力
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时间数据插值至计算数据点；(6)使用单轴拉伸和疲劳试验应力
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应变/应力
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时间数据标定弹性、率相关、随动硬化和临界分剪切应力相关本构参数，以单轴拉伸和疲劳试验与模拟拟应力
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应变/应力
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时间数据点的差值平方和为优化目标，采用Hook
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Jeeves优化算法迭代优化；(7)由迭代算法调整本构参数，借助Python脚...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋迎东，章文天，于泽，吴常皓，江荣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：