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
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。

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)。
3.1 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)。

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。

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。

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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