[发明专利]一种基于ABAQUS的异质结构模拟方法

说明书

本发明提供一种基于ABAQUS的异质结构模拟方法，包括：建立均匀结构和异质结构的2D代表性体积单元；将滑移阻力模型和背应力模型修正并写入用户子程序UMAT，以定义晶体的弹塑形本构方程；利用三种不同结构的拉伸曲线对UMAT中的材料参数进行确定；施加周期性边界条件和外部载荷，利用ABAQUS计算每个晶粒的应力应变响应；对所有晶粒的应力应变平均化；改变模型微观结构和晶粒取向等参数，预测和分析对应的宏观应力应变响应、强化效果和微观变形云图，对比得出最优的微观结构。本发明的异质结构模拟方法考虑了异质结构的晶粒尺寸效应和额外背应力强化，可对异质结构进行模拟，具有直观、适用性强、精确度高的优点。

技术领域

本发明属于材料力学性能有限元数值计算领域，涉及一种基于ABAQUS的异质结构模拟方法。

背景技术

随着我国航空航天领域的快速发展，我们对材料的综合性能提出了更高的要求。大多数金属纳米和超细晶材料虽能满足强度要求，但低延展性限制了其在许多先进技术中的应用。近年来，已报道了在环境温度下具有良好强韧综合性能和在高温下的超塑性的金属异质结构材料，高强度和良好延性的独特组合使得异质结构金属成为结构和功能的“梦想工程材料”，并应用于交通、医药、能源等领域。

为了进一步发展纳米金属材料领域，揭示出可以产生和获得高延性金属异质结构材料的潜在机制是亟需解决的关键技术瓶颈之一。近些年，有限元软件的发展可以很好地满足人们对于复杂应力应变行为的理解以及提供了该状态下不同微观结构的综合力学性能。有限元软件ABAQUS不仅可以分析复杂的固定力学和结构力学系统，还可以通过强大的二次开发接口补充ABAQUS前后处理模块中不完善的功能。基于FORTRAN语言的用户自定义的子程序扩展了ABAQUS在本构方程的应用，并实现了损伤评估、力学性能预测等方面的功能。

然而为了考虑异质结构变形过程中存在的内部物理机制，传统未考虑晶粒尺寸的滑移阻力模型和背应力模型已无法满足要求，其中，现有的滑移模型没办法考虑跨尺度晶粒，背应力模型没办法考虑异质结构的特殊强化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ABAQUS的异质结构模拟方法，以使得模拟方法能够模拟跨尺度晶粒，并且直观、适用性强、精确度高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于ABAQUS的异质结构模拟方法，包括：

S1：建立均匀结构和异质结构的ABAQUS代表性单元模型；

S2：将滑移阻力模型和背应力模型分别修正为多尺度的滑移阻力模型和考虑强度差的背应力模型并写入ABAQUS的用户子程序UAMT，通过用户子程序UMAT定义晶体的弹塑性本构方程，该弹塑性本构方程中包括多个材料参数；

S3：根据两组不同晶粒尺寸的均匀结构和一组异质结构的单轴拉伸试验得到的拉伸曲线的实验结果与所述步骤S2中的弹塑性本构方程进行拟合，对所述步骤S2中的材料参数进行确定；

S4：施加周期性边界条件和外部载荷，利用ABAQUS计算每个晶粒的应力应变响应；

S5：对所有晶粒的应力应变平均化，得到异质结构的宏观力学性能；

S6：改变所述步骤S1中的ABAQUS代表性单元模型的微观结构和晶粒取向，预测和分析对应的宏观应力应变响应、强化效应和微观变形云图，通过对比获得最优的微观结构；

其中，所述步骤S2包括：

S21：采用投影运算方法，求解步骤S1中的异质结构的ABAQUS代表性单元模型的坐标系与晶粒坐标系之间的转化矩阵，基于所述转化矩阵，通过张量运算，得到异质结构的ABAQUS代表性单元模型的坐标系下的施密特因子，随后求解作用在晶粒中的应力张量σ^g，并结合材料弹性张量C^-1，进而计算出每个晶粒的弹性应变；