一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法与流程

技术特征：
1.一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、建立与待研究晶体材料相同或相似平均晶粒大小的abaqus代表性体积单元模型；步骤s2、取相同材料的若干待研究晶体构成的试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率的应变控制疲劳试验和蠕变疲劳试验，获取应变控制的疲劳试验数据、应变控制的蠕变疲劳试验数据，再与应变控制疲劳试验相同的温度下对剩余试样开展应力控制的蠕变疲劳试验，获取混合控制的蠕变疲劳试验数据；根据应变控制的疲劳试验数据，得到疲劳滞回曲线，根据应变控制的蠕变疲劳试验数据，得到应变控制的蠕变疲劳滞回曲线、应变保载阶段的应力松弛曲线，根据混合控制的蠕变疲劳试验数据，得到混合控制的蠕变疲劳滞回曲线以及应力保载阶段的蠕变曲线；步骤s3、通过建立未修正的晶体塑性本构模型，利用应变控制的疲劳、蠕变疲劳载荷条件对abaqus代表性体积单元模型进行有限元计算从而得到模拟结果，并以试错法拟合疲劳滞回曲线、蠕变疲劳滞回曲线以及应变保载阶段的应力松弛曲线，得到未修正的晶体塑性本构模型的材料参数；步骤s4、将背应力演化方程修正为适合混合控制蠕变疲劳载荷的扩展背应力演化方程，并写入未修正的晶体塑性本构模型，得到修正后的晶体塑性本构模型；步骤s5、用修正后的晶体塑性本构模型对abaqus代表性体积单元进行有限元计算，获得所研究晶体材料在混合控制蠕变疲劳载荷下的模拟结果，包括修正后的蠕变疲劳滞回曲线以及修正后的应力保载阶段的蠕变曲线，进一步确定修正后的晶体塑性本构模型的材料参数，进而得到最终晶体塑性本构模型；步骤s6、利用最终晶体塑性本构模型模拟所研究晶体材料混合控制蠕变疲劳变形。2.根据权利要求1所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，步骤s1中，建立与待研究晶体材料相同或相似平均晶粒大小的abaqus代表性体积单元模型，具体步骤为：s11、根据研究晶体材料的om图，获取材料的平均晶粒大小；s12、根据代表性体积单元模型所需晶粒个数，计算出相同或相似晶粒大小的代表性体积单元模型所需要的尺寸；s13、根据晶粒个数，利用voronoi算法，得到晶粒各点、晶粒晶核以及晶粒连接顺序的信息；s14、利用matlab生成代表性体积单元模型所需晶粒个数的晶粒随机取向信息；s15、根据代表性体积单元模型所需晶粒个数的晶粒随机取向信息、晶粒各点、晶粒晶核以及晶粒连接顺序的信息，建立第一代表性体积单元的几何模型；s16、建立一个大小和第一代表性体积单元几何模型相同的第二代表性体积单元几何模型，并对第二代表性体积单元几何模型均匀划分网格，把第一代表性体积单元几何模型和第二代表性体积单元几何模型叠放，将第二代表性体积单元几何模型网格的几何中心落在第一代表性体积单元几何模型同一晶粒中的网格划分到同一集合，并给每个集合赋予晶粒的材料参数；s17、对第二代表性体积单元几何模型施加周期性边界条件以及蠕变疲劳加载条件，最
终得到abaqus代表性体积单元模型。3.根据权利要求1所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，步骤s3中，通过建立未修正的晶体塑性本构模型，利用应变控制的疲劳、蠕变疲劳载荷条件对abaqus代表性体积单元模型进行有限元计算从而得到模拟结果，并以试错法拟合疲劳滞回曲线、蠕变疲劳滞回曲线以及应变保载阶段的应力松弛曲线，得到未修正的晶体塑性本构模型的材料参数，具体如下：s31、建立未修正的晶体塑性本构模型中的动力学方程；s32、建立未修正的晶体塑性本构模型中的塑性流动率方程；s33、建立未修正的晶体塑性本构模型中的滑移阻力演化方程；s34、建立未修正的晶体塑性本构模型中的背应力演化方程；s35、利用应变控制的疲劳实验数据，采用试错法，将模拟结果与疲劳滞回曲线相比较，得到晶体塑性本构模型弹性常数、滑移阻力演化方程参数和背应力演化方程参数；s36、利用应变控制的蠕变疲劳试验数据，采用试错法，将应变保载阶段的应力松弛曲线与模拟结果相比较，确定流动率指数。4.根据权利要求3所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，所述s31中动力学方程为：其中，l
p
为塑性变形速率梯度，为塑性变形梯度速率，为塑性变形梯度的逆，为第α滑移系上的剪切率，s
α
为第α滑移系上的滑移方向上的单位矢量，n
α
为第α滑移系上的滑移法向上的单位矢量。5.根据权利要求4所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，所述s32中塑性流动率方程为：其中，为第α滑移系上的参考剪切率，τ
α
为第α滑移系上的解析剪切应力，g
α
为第α滑移系上的滑移阻力，χ
α
为第α滑移系上的背应力，n为流动率指数。6.根据权利要求5所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，所述s33中滑移阻力演化方程为：征在于，所述s33中滑移阻力演化方程为：其中，为第α滑移系上的滑移阻力增量，h
αα
为同一滑移系上的自硬化模量，h
αβ
为不同滑移系之间的潜在硬化模量，h0为初始硬化模量，γ为所有滑移系上的累积剪切应变，τ
s
为饱和滑移阻力，τ0为初始临界解析剪切应力，q为材料常数，为第β滑移系上的剪切率，h
(γ)为中间函数。7.根据权利要求6所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，所述s34中背应力演化方程为：其中，c、d均为材料常数，为第α滑移系上的背应力增量。8.根据权利要求7所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，步骤s4中，将背应力演化方程修正为适合混合控制蠕变疲劳载荷的扩展背应力演化方程，所建立的扩展背应力演化方程为：其中，a、c、d、b均为材料参数。9.根据权利要求1所述的利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，其特征在于，步骤s5中，用修正后的晶体塑性本构模型对abaqus代表性体积单元进行有限元计算，获得所研究晶体材料在混合控制蠕变疲劳载荷下的模拟结果，包括修正后的蠕变疲劳滞回曲线以及修正后的应力保载阶段的蠕变曲线，进一步确定修正后的晶体塑性本构模型的材料参数，进而得到最终晶体塑性本构模型，具体如下：s51、利用蠕变疲劳滞回曲线，采用试错法，将修正后的蠕变疲劳滞回曲线与混合控制的蠕变疲劳滞回曲线相比较，调整修正后的晶体塑性本构模型材料参数；s52、利用应力保载阶段的蠕变曲线，采用试错法，将修正后的应力保载阶段的蠕变曲线与应力保载阶段的蠕变曲线相比较，确定扩展背应力演化方程中的材料参数，进而得到最终晶体塑性本构模型。

技术总结
本发明公开了一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，通过Voronoi tessellation方法建立与所研究材料具有相同或相近的平均晶粒尺寸的微观网格模型，并通过编译的python脚本给有限元模型对应边对应节点施加周期性边界条件，得到用于ABAQUS有限元计算的代表性体积单元。利用应变控制的疲劳实验以及疲劳蠕变实验数据，通过试错法首先确定未使用修正本构模型的材料参数，然后利用应力应变混合控制蠕变疲劳实验应力保载阶段的实验数据确定修正模型的材料参数，最终得到适用于混合控制蠕变疲劳载荷的晶体塑性本构模型，并用该模型模拟晶体材料在混合控制蠕变疲劳载荷下的变形。载荷下的变形。载荷下的变形。


技术研发人员：王小威 周德文 张天宇 姜勇 张显程 巩建鸣
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2021.07.05
技术公布日：2021/11/4