【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料科学，尤其涉及一种原位ebsd-dic模拟方法及系统。
技术介绍
1、在材料科学领域，了解材料的微观结构与其力学性能之间的关系一直是一个研究重点。目前，这一领域主要依赖于如电子背散射衍射(ebsd)、原位ebsd表征实验、有限元模型等方法。ebsd实验表征实验主要是对非载荷施加时材料的静态微观组织进行表征。原位ebsd表征实验可以捕捉材料在拉伸过程时的微观特征变化。然而，这些方法在捕捉应力和应变行为方面存在局限。特别是在原位ebsd，它无法有效记录拉伸过程中的应力和应变行为。而数字图像相关性(dic)技术虽能研究拉伸过程中的应变行为，但它同样不能测量应力。原位ebsd-dic技术的出现，使得同时研究微观结构的变形行为和应变变化成为，但它在捕捉应力变化方面仍然存在不足。此外，目前的原位ebsd-dic技术主要适用于静态拉伸测试，而在处理高频周期性负载时面临诸多挑战，包括巨大的计算需求和人力资源投入。
2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
3、现有技术在分析材料微观结构和应力-应变行为时具有局限性，尤其是在面对高频周期性负载等复杂应力条件时。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种原位ebsd-dic模拟方法及系统。
2、本技术方案的必要技术特征包括创建高度精确的晶体塑性有限元模型(cpfem)以模拟金属材料的微观结构变化，利用专业软件如mtex、neper和vorinoi进行模型建立，并通过aba
3、本专利技术是这样实现的，一种原位ebsd-dic模拟方法，所述原位ebsd-dic模拟方法包括：
4、步骤一，通过mtex、neper、vorinoi等方法建立材料的cpfem，通过abaqus调用晶体塑性有限元子程序，在每个分析步输出积分点所在的单元编号、积分点的编号、积分点的x,y,z坐标、积分点对应的滑移面法向分量、积分点对应的滑移方向的当前分量，写为.dat文件；
5、步骤二，根据cpfem模型输出的dat文件，提取出每个分析步下每个积分点的滑移面法向量和滑移方向向量，规范化滑移面法向量和滑移方向向量至单位向量，计算每个分析步下每个积分点的两个单位向量的交叉乘积，并确认这两个向量不是平行的，否则报告错误；
6、步骤三，应用lu分解方法来处理每个分析步下每个积分点的交叉乘积得到的向量；
7、步骤四，将cpfem输出的每个分析步下每个积分点的滑移面法向量和滑移方向向量转换后的数据进行整合和处理，形成每个分析步下相当于ebsd实验扫描得到的ctf文件；
8、步骤五，通过matlab调用mtex工具箱，导入每个分析步的ctf文件，选择大于特定面积阈值的晶粒，对晶粒并进行平滑处理，绘制每个分析步的晶粒分布，根据晶粒的平均取向和面积，创建与晶粒对应的定向晶体形状列表，绘制晶粒映射，并根据晶粒大小和取向在图上叠加相应的晶体形状(面心立方、体心立方等)，得到外载荷作用下晶粒取向变化结果；
9、步骤六，移除每个分析步小于或等于三个像素的晶粒，对剩余晶粒进行进一步的平滑处理，将每个分析步下的ctf数据栅格化，计算每个分析步下每个积分点的kam值，确定晶体内各点的取向差异，计算完成后对每个分析步的kam计算结果进行可视化，可得到外载荷作用下kam的变化结果，计算每个分析步每个积分点的曲率张量和位错密度张量；
10、步骤七，根据所属材料的晶格属性(fcc,bcc等)计算每个分析步下每个积分点的burgers矢量，根据计算得到的burgers矢量，计算晶粒的螺旋位错和边位错能量，将计算所得的总位错能量进行可视化，得到每个分析步下每个积分点外载荷作用下gnd密度分布结果；
11、步骤八，根据cpfem模拟的结果，通过abaqus gui界面可视化材料微观结构在外载荷作用下的微观结构变化、应力变化以及应变变化。
12、进一步，所述步骤一，通过mtex、neper、vorinoi等方法建立材料的cpfem，包含材料微观组织代表性结构建立，材料属性赋予、边界条件(拉伸、压缩、冲击、疲劳等边界条件)的设置。
13、进一步，所述步骤三，应用lu分解方法来处理每个分析步下每个积分点的交叉乘积得到的向量，lu分解法的具体步骤如公式(1)所示，使用旋转矩阵计算出的结果，得到三个欧拉角，将计算出的欧拉角转换为角度单位，并调整到[0,360°)的范围内，最终，输出这三个角度作为两个输入向量之间的欧拉角：
14、
15、其中a是原始矩阵，l是下三角矩阵，u是上三角矩阵，aij是矩阵a中的第i行和第j列元素，aji是矩阵中第j行的第i列元素，uij是矩阵u中的第i行和第j列元素，ukj是矩阵u中的第k行和第j列元素，uii是矩阵u中的第i行和第i列元素，1/uii是上三角矩阵u对角线元素的倒数，用于计算下三角矩阵l的元素，uki是矩阵u中的第k行和第i列元素，lik是矩阵l中的第i行和第k列元素，lji是矩阵l中的第j行和第i列元素，ljk是矩阵l中的第j行和第k列元素。
16、进一步，所述步骤四，将cpfem输出的每个分析步下每个积分点的滑移面法向量和滑移方向向量转换后的欧拉角数据与相位、坐标数据、平均角偏差(mad)、条带对比度(bc)、条带斜率(bs)等数据进行整合，形成每个分析步的初始ctf文件，对每个分析步的初始ctf文件按照原始ebsd扫描的坐标值顺序进行排序，以确保数据按照原始ebsd测试时的扫描顺序排列，在对每个分析步的初始ctf文件排序后的数据之前插入特定头文件信息，创建每个分析步的最终ctf文件，也即形成每个分析步下相当于ebsd实验扫描得到的ctf文件。
17、进一步，所述步骤六，包括：
18、(1)移除每个分析步小于或等于三个像素的晶粒，对剩余晶粒进行进一步的平滑处理，以获得更精确的晶粒边界，将每个分析步下的ctf数据栅格化，通过公式(2)计算每个分析步下每个积分点的kam值，使用上述公式确定晶体内各点的取向差异，计算完成后对每个分析步的kam计算结果进行可视化，即可得到外载荷作用下kam的变化结果。
19、
20、其中oi,j表示每个积分点位置(i,j)的取向，n(i,j)表示相邻积分点的集合，ω(oi,j,ok,l)表示每个积分点中心方向oi,j与ok,l之间的取向差角。
21、(2)假设f(x,y,z)表示三维空间中积分点的晶体方向，通过计算每个像素本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，包括创建高度精确的晶体塑性有限元模型CPFEM以模拟金属材料的微观结构变化，利用专业软件如MTEX、NEPER和VORINOI进行模型建立，并通过ABAQUS进行晶体塑性有限元分析，包括数据输出、处理到晶粒分析和可视化；具体步骤为：提取和处理CPFEM模型输出的数据，生成EBSD实验类似的CTF文件，运用MATLAB结合MTEX工具箱进行晶粒分布的分析和可视化，并计算关键参数如KAM值、曲率张量和位错密度张量。
2.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述原位EBSD-DIC模拟方法包括：
3.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述步骤一，通过MTEX、NEPER、VORINOI等方法建立材料的CPFEM，包含材料微观组织代表性结构建立，材料属性赋予、边界条件的设置。
4.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述步骤三，应用LU分解方法来处理每个分析步下每个积分点的交叉乘积得到的向量，LU分解法的具体步骤如公式(1)
5.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述步骤四，将CPFEM输出的每个分析步下每个积分点的滑移面法向量和滑移方向向量转换后的欧拉角数据与相位、坐标数据、平均角偏差MAD、条带对比度(BC)、条带斜率(BS)等数据进行整合，形成每个分析步的初始CTF文件，对每个分析步的初始CTF文件按照原始EBSD扫描的坐标值顺序进行排序，以确保数据按照原始EBSD测试时的扫描顺序排列，在对每个分析步的初始CTF文件排序后的数据之前插入特定头文件信息，创建每个分析步的最终CTF文件，也即形成每个分析步下相当于EBSD实验扫描得到的CTF文件。
6.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述步骤六，包括：
7.根据权利要求1所述的原位EBSD-DIC模拟方法，其特征在于，所述步骤七，基于Hull和Bacon的理论，采用公式(6)和公式(7)分别计算晶粒的螺旋位错和边位错能量，总位错能量的计算可以用每个位错的能量乘以它的密度，并将这些乘积相加来表示，如公式(8)所示，最终将计算所得的总位错能量进行可视化，得到每个分析步下每个积分点外载荷作用下GND密度分布结果：
8.一种实施如权利要求1-7任意一项所述原位EBSD-DIC模拟系统，其特征在于，所述原位EBSD-DIC模拟系统包括CPFEM建立与数据输出模块，包括以下功能：
9.如权利要求8所述的原位EBSD-DIC模拟系统，其特征在于，所述原位EBSD-DIC模拟系统包括数据处理与CTF文件生成模块，功能为：
10.一种原位EBSD-DIC模拟系统其特征在于，所述原位EBSD-DIC模拟系统包括晶粒分析与可视化模块，功能为：
...【技术特征摘要】
1.一种原位ebsd-dic模拟方法，其特征在于，包括创建高度精确的晶体塑性有限元模型cpfem以模拟金属材料的微观结构变化，利用专业软件如mtex、neper和vorinoi进行模型建立，并通过abaqus进行晶体塑性有限元分析，包括数据输出、处理到晶粒分析和可视化；具体步骤为：提取和处理cpfem模型输出的数据，生成ebsd实验类似的ctf文件，运用matlab结合mtex工具箱进行晶粒分布的分析和可视化，并计算关键参数如kam值、曲率张量和位错密度张量。
2.根据权利要求1所述的原位ebsd-dic模拟方法，其特征在于，所述原位ebsd-dic模拟方法包括：
3.根据权利要求1所述的原位ebsd-dic模拟方法，其特征在于，所述步骤一，通过mtex、neper、vorinoi等方法建立材料的cpfem，包含材料微观组织代表性结构建立，材料属性赋予、边界条件的设置。
4.根据权利要求1所述的原位ebsd-dic模拟方法，其特征在于，所述步骤三，应用lu分解方法来处理每个分析步下每个积分点的交叉乘积得到的向量，lu分解法的具体步骤如公式(1)所示，使用旋转矩阵计算出的结果，得到三个欧拉角，将计算出的欧拉角转换为角度单位，并调整到[0,360°)的范围内，最终，输出这三个角度作为两个输入向量之间的欧拉角：
5.根据权利要求1所述的原位ebsd-dic模拟方法，其特征在于，所述步骤四，将cpfem输出的每个分析步下每个积分点的滑移面法向量和滑移方向向量转换后的欧拉角...
【专利技术属性】
技术研发人员：耿韶宁，宋敏杰，蒋平，仇越，舒乐时，王逸麟，许博安，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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