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基于DEFORM三维多晶体材料微结构的有限元分析【文献】

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摘 要:利用本课题组自主开发的计算机软件 AutoRVE,实现三维多晶体材料微结构的几何建模 ,网格划分 ,并将生成的 Input的文件通过脚本语言 Python的编译 ,实现在 DEFORM 中建立三维多晶体微结构的具体材料模型 ,并进行挤压过程热力耦合仿真分析 ,演示出了三维多晶体材料微结构的温度场及等效应力、等效应变分布结果。

关键词:三维多晶体;材料微结构; Key文件; Input文件

中图分类号: TG14


1DEFORM 简介

DEFORM - 3D 是一套基于工艺模拟系统的有 限元系统 ( FEM ) ,专门设计用于分析各种金属成形 过程中的三维 (3D)流动 ,提供极有价值的工艺分析 数据 ,及有关成形过程中的材料和温度流动。主要 包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理 器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、 成形条件的输入 ,建立边界条件 ,它还包括有限元网 格自动生成器;模拟器是集弹性、弹塑性、刚 (粘 )塑 性、热传导于一体的有限元求解器;后处理器是将模 拟结果可视化 ,支持 OpenGL图形模式 ,并输出用户 所需的模拟数据。DEFORM 允许用户对其数据库 进行操作 ,对系统设置进行修改 ,以及定义自己的材 料模型等 ,如图 1所示。 

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2D EFO RM 前处理程序的二次开发

2.1 材料代表性体积单元 (RVE)

材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的“代表性体积单元 ”( RVE)技术上。微观组织结构的“代表性体积单元 ”定义在材料的细观尺度上。“代表性体积单元 ”其体积尺寸是最小的 ,但体积单元内却包含了足够多微观组织结构组成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相场信息 ,并能在统计学意义上 (统计平均性质 )代表材料微观组织结构的基本特征 ,由“代表性体积单元 ”组成的材料称为统计均匀材料 ,统计均匀材料受到均匀边界条件的作用 ,则介质内的场变量是统计均匀场。值得指出的是 ,应该根据材料实际 (或模拟 )的微观组织结构组成物的几何构造、取向分布与结构 ,计算材料微观组织结构的“代表性体积单元 ”内的细观力学响应以及材料性能。“代表性体积单元 ”的细观应力的体积平均响应程度必须与“代表性体积单元 ”边界上所承受的外加载荷程度相一致 。

2.2 几何模型的建立

挤压件原始尺 寸 为: 1000mm ×1000mm × 500mm (长度 ×宽度 ×厚度 ) ,其开始温度为 900℃, 上下模具温度都为 300℃。材料假定是各相同性 的 ,挤压件和上下模之间采用剪切摩擦模型 ,摩擦系 数是 0. 3。工件的自由表面与周围环境之间的等效换热系数取为 180. 2N / ( s·m ·c) ,工件与上下模之间的接触传热系数取为 5N / ( s·m ·c) ,辐射率为 0. 7。坐标系的建立为: Z轴的负方向为挤压方向。 

2.3 多晶体材料微结构的数据准备

利用本课题组自主开发的计算机软件 AutoRVE,即可在 ABAQUS 有限元软件中,建立材料微结构的 “代表性体积单元”(RVE) 的几何模型,并根据几何模型画出有限元计算网格,单元体数目:199738,结点:36000,总模拟步数为 100,模拟时间步长为:0.01 s。由于 DEFORM 对工件赋予不同材料属性的限制,在编译的过程中,设置 6 种材料属性。实现对所有的单元赋材料属性,具体是将同一晶粒对应的多个单元赋予同一材料属性。而后利用 C 语言编译生成 6 种新材料,为了使整个工件的材料属性差别不易过大,在编译材料属性时仅对材料的杨氏模量进行少量的增加,分别命名为 NEW-I(I=1-6)。这样即可将每个晶粒可视化显现出来。图 2 显示了含有 1000 个晶粒的三维多晶体网格划分材料微结构(挤压件模型)。

3 三维多晶体材料微结构模拟结果及分析

3.1 温度场分布

为更好地反映整个挤压过程中工件各部位温度的变化规律,在工件的中心和表面,沿工件长度方向提取截面上的关键点进行温度跟踪分析,将各点的温度随时间变化作曲线,演示了含有 1000 个晶粒的多晶体材料挤压过程中温度分布,如图 3 所示。

P1 为多晶体材料上表面的中心点,P2 为多晶体材料的内部中心点,P3 为上表面的侧面中点,P4 为侧面的中心点。结果表明,工件各部位关键点的温度随挤压过程时间的增加均呈现下降的趋势,特别是工件表面中心节点 P1,及工件边部节点 P3 在挤压过程中,与上模具产生接触温度曲线起伏显著,温度急剧下降;工件在与空气的热交换过程中温度变化缓慢,P4 的温降变化不太明显。中心处节点 P2 温度略有提升(这是因为塑性功转化为热的结果)。


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3.2 应力分析

通过对关键点等效应力变化进行跟踪 ,图 4演示了含有 1000个晶粒的三维多晶体材料微结构模型算例及其等效应力分析结果。当工件开始与上下模接触时 ,如图 4 ( a)所示 ,挤压变形内部中心区节点 P2的应力最大 , 工件边部节点 P3在挤压过程中与上模具产生接触应力曲线起伏不大 ,如图 4 ( b)为等效应力随计算时间的变化曲线。各节点的应力急剧上升 ,而后在达到稳定状态呈缓慢增长趋势 ,在整个挤压过程中 ,节点 P1应力曲线起伏相当大。

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3.3 应变分析

通过对关键点等效应变变化进行跟踪 ,图 5演示了含有 1000个晶粒的三维多晶体材料微结构模型算例及其等效应变分析结果。如图 5 ( a)所示 ,在整个挤压过程中 ,在工件边部及挤压变形内部中心区呈现出较大的等效应变 ,表面中心处和侧面处应变相对较小。图 5 ( b)为等效应变随计算时间的变化曲线 ,可以看出:关键点等效应变首先增长缓慢几乎趋近于零 ,在工件挤压后塑性变形逐渐增大 ,等效塑性应变也随之增大。在整个挤压过程中 ,工件边部节点 P3与上模具产生接触应变曲线起伏最大 ,随 着时间的增大 ,各节点的应变几乎呈直线急剧上升。

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4 结论

采用商业有限元软件 DEFROM 对多晶体材料进行了挤压过程模拟分析 ,模拟结果表明:

(1)通过脚本语言 Python的编译 ,对外部数据Input文件提取 Key文件所需要的有效数据 ,进而对 已产生的 Key文件进行替换及添加 , 实现在 DE2 FORM中建立三维多晶体微结构的具体材料模型 , 完成该细观模型的建立。 

(2)对 DEFORM - 3D 进行前处理二次开发 ,导入多晶体材料的微结构模型 ,并进行挤压过程热力耦合仿真分析。得到了三维多晶体材料微结构的温度场及等效应力、等效应变分布结果。

(3)用户可以返回 DEFORM 中通过 GU I环境下的操作实现某些用户自定义的特性 ,如 ,具体的某种材料、具体所需的分析步、具体的边界条件与加载方式 ,或者通过更改模型的 Key文件实现对模型的用户自定义 ,再对模型进行分析。


原资料见附件


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首次发布时间:2026-06-24
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