一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法技术

一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，属于航天用高强度钛基复合材料成形技术领域，本发明专利技术为了解决现有晶体塑性有限元模拟大多基于纯合金，对于新型的增强相沿晶界分布的钛基复合材料不再适用，无法考虑增强相在高温变形过程中作用的问题，本申请采用多尺度分析，从宏观模型提取代表性体积单元，根据微观组织测试，利用python编写脚本，对材料的晶体形貌以及取向进行表征，构建晶粒晶界，并在晶界引入增强相，基于晶体塑性位错运动和晶界滑移理论，从微观晶粒尺度分析复合材料再高温变形过程中的应力及应变分布的非均匀性，本申请主要用于对新型的增强相沿晶界分布的钛基复合材料进行晶体塑性有限元模拟的方法。方法。方法。

【技术实现步骤摘要】
一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法


[0001]本专利技术属于航天用高强度金属基复合材料成形
，具体涉及一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法。

技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，推动了轻质、耐高温和高强度材料的研发与应用。一种新型的增强相沿晶界分布的网状结构钛基复合材料被广泛应用，在保证高温强度的同时又维持了塑性。由于有了增强相的加入，网状结构的晶界强化钛基复合材料在高温变形时的微观机理更加复杂，例如TiB增强相对基体应力、取向的影响以及TiBw网状结构的变化等。而这些微观组织变化很难在实验中做到实时检测。而晶体塑性有限元模拟可以有效解决这一问题，它考虑了晶粒尺寸，晶粒取向和位错密度，从晶粒级别分析高温变形过程。
[0003]而现有的晶体塑性有限元模拟大多基于纯合金，对于这种新型的增强相沿晶界分布的金属基复合材料不再适用，无法考虑增强相在高温变形过程中的作用。因此，为研究增强相的分布和比例对复合材料高温变形的影响，考虑晶粒尺度的微观作用，进而研发一种基于晶体塑性有限元晶界强化复合材料高温变形的模拟方法是很符合实际需要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有晶体塑性有限元模拟大多基于纯合金，对于新型的增强相沿晶界分布的金属基复合材料不再适用，无法考虑增强相在高温变形过程中作用的问题，进而提供一种基于晶体塑性有限元晶界强化复合材料高温变形的模拟方法；
[0005]一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，所述模拟方法是通过以下步骤实现的：
[0006]步骤一：基于ABAQUS建立热变形工艺的宏观模型，并对宏观模拟结果进行分析；
[0007]步骤二：根据步骤一中所得结果，将增强相引入晶体塑性多晶模型，建立微观晶体塑性复合材料模型；
[0008]步骤三：构建晶体塑性本构方程，利用Fortran编程将以上方程编入Abaqus的UMAT子程序，利用Abaqus进行求解计算；
[0009]步骤四：根据步骤三所得模拟结果，分析TiB增强相的体积分数和分布对晶界滑移以及晶粒变形和取向演化的影响；
[0010]进一步地，所述步骤一中基于ABAQUS建立热变形工艺的宏观模型的过程如下：
[0011]利用Abaqus软件根据研究的高温变形过程进行宏观热力耦合模拟；模拟参数设置为与实验条件相匹配，即变形温度为1100℃，轧辊直径为280mm，转速为4rad/s，设置为刚体；坯料尺寸为70*50*20mm,位移速度为1m/s，设置为变形体；通过控制两轧辊之间距离设置变形压下量为30％，即压下6mm；网格尺寸为1mm,网格类型为类8节点六面体线性单元(C3D8)，材料属性赋予高温拉伸试验数据；
[0012]进一步地，所述步骤一中对宏观模拟结果进行分析过程如下：
[0013]通过模拟结果应力云图分析不同区域的单元应变和应力状态，提取感兴趣的单元(边部区域)，分析其应变为沿轧制方向(X轴)伸长，沿法向方向压缩(Y轴)，将其作为微观组织模拟的边界条件；
[0014]进一步地，步骤二中根据步骤一中所得结果，将增强相引入晶体塑性多晶模型，建立微观晶体塑性复合材料模型的具体过程是通过以下步骤实现的：
[0015]步骤二一：利用Abaqus软件根据宏观模拟中感兴趣区域的应变状态建立微观变形的有限元模型，并生成inp文件；
[0016]步骤二二：通过对步骤二一所得的inp文件中的单元和节点信息进行处理，基于voronoi算法利用python脚本划分集合，每个集合代表一个晶粒，生成多晶模型，根据实验数据给每个晶粒赋予相应的取向参数；
[0017]步骤二三：根据利用python对步骤二中的晶粒集合信息处理，寻找每个集合中边界位置，采用相邻比较法寻找边界单元，即若某个单元的节点同时在大于两个的集合中，则其为边界单元；根据寻找的边界单元建立边界集合；
[0018]步骤二四：根据增强相的体积分数，从边界单元中提取一定数量的单元作为作为增强相单元，赋予其增强相TiB的材料属性,建立增强相集合；
[0019]步骤二五：给集合赋予基于晶体塑性计算的材料属性，其中基体材料属性包括：晶粒取向，晶粒尺寸，基体的弹性矩阵，剪切应变速率和临界分切应力等。边界材料属性包括晶粒尺寸和剪切应变速率。增强相的材料属性和晶粒相似。基于增强相是增强体，强度更高，赋予其高于晶粒的临界分切应力和弹性矩阵，以探究增强相对晶界滑移和晶粒取向以及应力各向异性的影响；
[0020]进一步地，所述步骤二一中利用Abaqus软件根据宏观模拟中感兴趣区域的应变状态建立微观变形的有限元模型，并生成inp文件的具体过程如下：
[0021]根据步骤一中对宏观模拟结果进行分析得到的信息所选单元为平面应变，因此构建1*1mm的二维微观组织模型，边界条件设置为沿X轴伸长0.03mm,沿X轴压缩0.03mm.将网格进行更精致的划分，尺寸为0.01*0.01mm，模型信息通过abaqus写出inp文件，通过微观表征试验测得晶粒大小、取向以及增强相的分布，根据测得的晶粒尺寸，1*1mm区域内平均16个晶粒；
[0022]进一步地，所述步骤三中构建晶体塑性本构方程，利用Fortran编程将以上方程编入Abaqus的UMAT子程序，利用Abaqus进行求解计算的具体过程如下：
[0023]首先采用晶体塑性模型中常用的依赖于应变梯度F和速率梯度L的乘法分解的速率相关本构框架，用于建立CPFEM的变形运动学，其可以表示为：
[0024]F＝F
e
·
F
P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0025][0026]其中，F
e
和F
P
分别是晶体拉伸和旋转时的弹性和塑性变形梯度，和F
‑1分别为应变梯度的导数和逆矩阵，L
e
和L
p
分别为弹性和塑性变形率梯度；晶体的L
p
值是所有滑移系统的剪切应变率之和：
[0027][0028]其中，和F
p
‑1分别是塑性变形梯度的导数和逆矩阵，是滑移系α的剪切应变速率，m
α
和n
α
分别是参考构型中滑移系统α的滑移方向和滑移面的法向；n为滑移系的个数，共有24个可激活滑移系统，可分为两组：12个{110}<111>
β
和12个{112}<111>
β
。而具有密排六方晶格的α相有30个可激活的滑移系，可分为五组：3个3个6个12个6个6个是滑移系的剪切速率，其受施加在滑移系统上的瞬时解析剪切应力(RSS)τ
α
的影响，具体表示为：
[0029][0030]其中，是滑移系的参考剪切应变速率，m是应变速率敏感指数；s
α
(ρ)是与位错密度相关的滑移阻力；是与晶粒尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述模拟方法是通过以下步骤实现的：步骤一：基于ABAQUS建立热变形工艺的宏观模型，并对宏观模拟结果进行分析；步骤二：根据步骤一中所得结果，将增强相引入晶体塑性多晶模型，建立微观晶体塑性复合材料模型；步骤三：构建晶体塑性本构方程，利用Fortran编程将以上方程编入Abaqus的UMAT子程序，利用Abaqus进行求解计算；步骤四：根据步骤三所得模拟结果，分析TiB增强相的体积分数和分布对晶界滑移以及晶粒变形和取向演化的影响。2.根据权利要求1所述的一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤一中基于ABAQUS建立热变形工艺的宏观模型的过程如下：利用Abaqus软件根据研究的高温变形过程进行宏观热力耦合模拟；模拟参数设置为与实验条件相匹配，即变形温度为1100℃，轧辊直径为280mm，转速为4rad/s，设置为刚体；坯料尺寸为70*50*20mm,位移速度为1m/s，设置为变形体；通过控制两轧辊之间距离设置变形压下量为30％，即压下6mm；网格尺寸为1mm,网格类型为类8节点六面体线性单元，材料属性赋予高温拉伸试验数据。3.根据权利要求2所述的一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤一中对宏观模拟结果进行分析过程如下：通过模拟结果应力云图分析不同区域的单元应变和应力状态，提取感兴趣的单元，分析其应变为沿轧制方向伸长，沿法向方向压缩，将其作为微观组织模拟的边界条件。4.根据权利要求3所述的一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤二中根据步骤一中所得结果，将增强相引入晶体塑性多晶模型，建立微观晶体塑性复合材料模型的具体过程是通过以下步骤实现的：步骤二一：利用Abaqus软件根据宏观模拟中感兴趣区域的应变状态建立微观变形的有限元模型，并生成inp文件；步骤二二：通过对步骤二一所得的inp文件中的单元和节点信息进行处理，基于voronoi算法利用python脚本划分集合，每个集合代表一个晶粒，生成多晶模型，根据实验数据给每个晶粒赋予相应的取向参数；步骤二三：根据利用python对步骤二中的晶粒集合信息处理，寻找每个集合中边界位置，采用相邻比较法寻找边界单元，根据寻找的边界单元建立边界集合；步骤二四：根据增强相的体积分数，从边界单元中提取一定数量的单元作为作为增强相单元，赋予其增强相TiB的材料属性,建立增强相集合；步骤二五：给集合赋予基于晶体塑性计算的材料属性。5.根据权利要求4所述的一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤二一中利用Abaqus软件根据宏观模拟中感兴趣区域的应变状态建立微观变形的有限元模型，并生成inp文件的具体过程如下：根据步骤一中对宏观模拟结果进行分析得到的信息所选单元为平面应变，因此构建1*1mm的二维微观组织模型，边界条件设置为沿X轴伸长0.03mm,沿X轴压缩0.03mm.将网格进行更精致的划分，尺寸为0.01*0.01mm，模型信息通过abaqus写出inp文件，通过微观表征试
验测得晶粒大小、取向以及增强相的分布，根据测得的晶粒尺寸，1*1mm区域内平均16个晶粒。6.根据权利要求5所述的一种晶界强化金属基复合材料的晶体塑性有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤三中构建晶体塑性本构方程，利用Fortran编程将以上方程编入Abaqus的UMAT子程...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国峰，李振伦，宋珂，康庆鑫，周彤旭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：