晶體塑性有限元建模與微成形過程仿真.pdf

1、塑性成形工藝因其產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、力學(xué)性能好以及能夠大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的受到人們的關(guān)注，在亞毫米級別多晶體材料的塑性變形過程中，由于各晶粒的尺寸相對于材料整體尺寸的比值較大，導(dǎo)致多晶體材料的各向異性現(xiàn)象表現(xiàn)明顯，而基于統(tǒng)計(jì)學(xué)意義下的均勻、連續(xù)和各向同性假設(shè)的宏觀塑性本構(gòu)模型，在進(jìn)行多晶體材料的微塑性成形分析時，是不夠真實(shí)和準(zhǔn)確的?？紤]了多晶體塑性變形機(jī)制的晶體塑性理論的引入，將會對多晶體微塑性成形過程有一個更準(zhǔn)確的描述。傳統(tǒng)的多晶

2、體幾何模型多采用六邊形(或八面體)來近似代表多晶體結(jié)構(gòu)形貌，然而相對于真實(shí)的多晶體材料，在微塑性成形分析中，這樣的簡化模型顯然是不合理的。為了能夠更清晰的認(rèn)識多晶體材料的微塑性變形過程及其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，研究多晶體微塑性成形過程具有相當(dāng)?shù)睦碚摵凸こ桃饬x。
　　本文主要對多晶體材料的幾何模型建立，晶體塑性有限元理論的推導(dǎo)和硬化模型的加入，以及在大型有限元軟件ABAQUS中實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合做了探索性的研究，論文的主要工作和研究結(jié)果如下

3、：
　?。?）Voro no i圖具有真實(shí)的材料幾何學(xué)性質(zhì)和拓?fù)湫蚊?，本文基于Vo ro no i圖的幾何原理，在MATLAB平臺上建立起類似多晶體結(jié)構(gòu)的二維Voro no i剖分，并通過編譯子代碼來定義形狀控制因子，實(shí)現(xiàn)Voronoi圖幾何形貌的可控；
　?。?）通過Python腳本編程，實(shí)現(xiàn)了MATLAB平臺和ABAQUS平臺的數(shù)據(jù)互通。提取MATLAB中多晶拓?fù)湫畔ⅲY(jié)合相關(guān)建模函數(shù)在ABAQUS中建立了用于微塑性成形

4、模擬的多晶體幾何模型；
　?。?）將晶體塑性本構(gòu)理論和有限元方法相結(jié)合，又加入了Ba ssa ni-Wu硬化模型，基于Fortran語言編譯了ABAQUS用戶材料子程序UMAT，結(jié)合本文所建立的多晶體幾何模型，實(shí)現(xiàn)多晶體微成形過程的有限元仿真。并且通過Python腳本進(jìn)行批量快速的前處理工作，提高了建模效率；
　?。?）利用本文所建立的晶體塑性本構(gòu)模型和多晶體幾何模型模擬了多晶體的單軸拉伸過程，發(fā)現(xiàn)各晶粒的不同位向使得變形形

5、貌并不均勻。分別對比了10％，20%和30%拉伸量，445/mm2，3387/mm2和13558/mm2網(wǎng)格密度，以及16，25和36晶粒數(shù)目下的變形過程，結(jié)果表明：更加細(xì)致的網(wǎng)格劃分有助于更清晰的描述每個晶粒各自的變形行為；晶粒數(shù)目為16個時，每個晶粒所占空間較大，內(nèi)部的滑移受相鄰晶粒的作用力會減小，所需變形外力較小；隨晶粒數(shù)目的增加，各晶粒之間的協(xié)調(diào)作用增加了變形抗力，所需外力增加，但變形相對均勻。
　?。?）對晶粒形貌尺寸和

6、加載工況完全一致而初始取向不同的A、B兩種模型，以及晶粒形貌尺寸和初始取向完全相同但加載方向不同的B、C兩種模型進(jìn)行了的墩粗過程的仿真，并對壓力機(jī)載荷曲線和變形后形貌及應(yīng)力場分布情況進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)模型A、B的壓力機(jī)載荷曲線并不重合，且兩模型變形后的內(nèi)部形貌及應(yīng)力場分布截然不同，在晶界處出現(xiàn)了應(yīng)力急劇變化的現(xiàn)象，證明了塑性變形源和疲勞源易在此出現(xiàn)的現(xiàn)象；模型B、C變形后內(nèi)部晶粒形貌及應(yīng)力場分布差異也較大。證明了多晶體材料各向異性現(xiàn)象